Dispositif servant à former un joint d'étanchéité entre pièces mobiles l'une par rapport à l'autre, ou à étrangler un courant de fluide passant entre ces deux pièces La présente invention est relative à un dis positif servant à former un joint d'étanchéité entre des pièces mobiles l'une par rapport à l'autre ou à étrangler efficacement l'écoulement d'un courant de fluide passant entre ces deux pièces.
Le problème de la prévention des détériorations causées par le contact de pièces dont l'une tourne par rapport à l'autre, fixe, et fonctionnant avec les jeux réduits indispensables à la réalisation des joints, se pose depuis de nombreuses années dans l'industrie des turbines à vapeur. L'apparition du moteur à réaction et de la turbine à gaz a aggravé ce problème en rai son des températures plus élevées et des plus grandes vitesses de rotation atteintes. Le très léger manque d'équilibre existant, même dans les meilleurs de ces générateurs d'énergie, peut s'amplifier dangereuse ment pendant le fonctionnement, surtout si des vibra tions critiques se produisent à la vitesse de base de la machine et peuvent provoquer un contact intem pestif entre des joints à labyrinthe, à ajustage serré, et les arbres, à moins de tolérances excessives.
En raison de la masse relativement élevée, tant des ar bres que des joints anciens, dans ces appareils, il en résulte un échauffement localisé, immédiat et grave, avec, comme conséquence, une déformation de l'ar bre qui augmente le contact et la déformation. Une telle déformation peut avoir pour résultat une grave détérioration ou la mise hors service complète de l'appareillage à grande vitesse.
Un problème similaire est celui posé par le con tact possible entre les extrémités des aubes de tur bine ou de compresseur rotatives et le carter. Un contact entre les extrémités des aubes tournantes et le carter de la machine peut se produire, et se pro duit fréquemment, quand l'aube se déforme anorma lement pendant le fonctionnement ou quand le carter est légèrement déformé pour une raison quelconque telle qu'un échauffement irrégulier. Il arrive fréquem ment que le fonctionnement à grande vitesse pro duise un léger désalignement d'une ou plusieurs des aubes tournantes qui peuvent alors toucher les pièces de machine adjacentes.
En raison de la grande vitesse et de la masse élevée de l'ensemble mécanique en question, un tel contact peut provoquer des détério rations très graves.
En vue de réduire les dommages résultant de ces contacts accidentels, certaines extrémités d'aubes sont de section mince destinée à être sacrifiée pour protéger la section principale de l'aube. Cependant on ne peut pas prévoir de telles sections dans les aubes de turbines ou de compresseurs sans diminu tion de rendement aérodynamique.
L'invention a pour but de résoudre ces problè mes. A cet effet le dispositif objet de l'invention comprend un support et un ensemble cellulaire soli daire du support, ledit ensemble étant constitué par un certain. nombre de parois s'étendant à partir du support de manière à former un certain nombre de de cellules formées à une extrémité par ledit support et ouvertes à leur autre extrémité, ledit support étant destiné à être fixé à l'une des pièces de façon que les extrémités ouvertes des cellules soient à proximité immédiate de l'autre pièce,
ces parois étant consti tuées par une tôle métallique mince pouvant se dé- former facilement lorsqu'elles entrent en contact avec ladite autrë pièce.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, diverses formes d'exécution et des variantes du dispo sitif objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en perspective d'une forme d'exécution du dispositif comprenant un corps en nid d'abeille. La fig. 2 est une vue d'une variante. La fig. 3 est une coupe partielle d'une autre variante. La fig. 4 est une coupe longitudinale d'un dispo sitif tel que celui représenté à la fig. 2, entourant un arbre rotatif. La fig. 5 est une coupe transversale selon la ligne 5-5 de la fig. 4.
La fig. 6 est une coupe longitudinale partielle du dispositif représenté à la fig. 1 adapté en vue de son utilisation comme joint radial.
La fig. 7 est une coupe longitudinale partielle d'une pale de compresseur en position de travail, avec un dispositif en nid d'abeille, du type représenté à la fig. 2, incorporé dans un joint circulaire de carter. La fig. 8 est une coupe selon la ligne 8-8 de la fig. 7.
La fig. 1 représente une forme d'exécution du dispositif qui, grâce à des modifications de forme appropriées, peut s'adapter facilement à divers em plois. Le dispositif 10 comprend un ensemble cellu laire 12 pouvant être fabriqué de diverses façons avant d'être monté sur un support 14.
L'ensemble cellulaire 12 est, de préférence, en métal, divers métaux pouvant être utilisés selon les exigences de chaque installation particulière. On a utilisé avec succès l'aluminium, l'acier inoxydable et les alliages super . L'épaisseur du métal consti tuant l'ensemble 12 peut varier dans de larges limites et on a utilisé avec succès des épaisseurs allant de 0,025 à 0,3 mm.
Toutefois l'épaisseur n'est pas im pérative et peut être fixée empiriquement selon les exigences de fonctionnement de l'installation où l'élément sera placé, étant entendu qu'on pourra employer de plus grandes épaisseurs avec succès quand les dimensions des éléments et la masse des pièces utilisées augmentent. Il doit être également entendu que, bien que les cellules 16, représentées, aient des sections hexagonales, d'autres formes peu vent être employées. L'expression nid d'abeille sera utilisée ici pour désigner une configuration quel conque des cellules.
Le support 14 est aussi métallique, de préférence, et peut être fait du même métal que l'ensemble cel lulaire 12. On a utilisé avec succès des supports ayant une épaisseur comprise entre 3,2 et 9,5 mm. Bien qu'il doive être entendu qu'on peut utiliser d'autres épaisseurs, choisies en fonction de la résis tance ou d'autres facteurs, ou que le support peut être, en fait, constitué par la structure massive adja cente.
On prévoit que cette forme d'exécution sera par ticulièrement utile lorsque des différences de dilata tion thermique doivent être réduites au minimum, dans le cas où une enveloppe est à une distance radiale relativement grande de l'arbre, ou autre pièce mobile, ou lorsque l'on a besoin d'un bâti rigide extrêmement léger. Si on le désire, les parties consti tutives pourront être faites en des matériaux dont les coefficients de dilatation thermique sont différents, la partie la plus exposée à la chaleur étant faite avec la matière ayant le coefficient de dilatation thermique relativement le plus bas de façon à réduire le gau chissement.
L'ensemble cellulaire 12 et le support 14 peuvent être assemblés par soudage, brasage, ou collage à l'aide d'une résine.
La fig. 2 représente une variante de dispositif analogue en principe à celui de la fig. 1, mais dans lequel les axes des cellules ne forment pas un angle droit avec le plan du support. Dans la fabrication de ce type de dispositif, la structure cellulaire propre ment dite est réalisée en pliant les bandes individuel les à l'angle voulu, avant le montage. Ce type est préféré dans certains cas car il augmente la turbu lence du fluide s'écoulant sur les extrémités ouvertes des cellules individuelles et accentue ainsi l'effet de joint ou les autres actions sur l'écoulement.
Il pourra être également préféré dans certaines installations parce que les parois des cellules offrent moins de résistance à la déformation et qu'on diminue ainsi la possibilité de détérioration par contact de pièces mobiles l'une par rapport à l'autre.
La fig. 3 représente une autre variante qui com bine les avantages des dispositifs des fig. 1 et 2. Dans cette variante, les jointures des cellules sont réunies depuis le support jusqu'au milieu de la hau teur des cellules de sorte que la moitié supérieure de chaque cellule n'est pas réunie aux cellules adja centes et peut s'infléchir dans le sens voulu. Un dis positif de ce genre peut être fabriqué en brasant les cellules, réunies à mi-hauteur, par des points de sou dure, au support, la moitié supérieure du corps étant protégée par une substance empêchant la brasure.
Les fig. 4 et 5 représentent un dispositif suivant la variante de la fig. 2 monté en joint d'arbre. Dans le montage de la fig. 4 un arbre 22 est monté rotatif, par des moyens non représentés, à l'intérieur d'une couronne rigide 24.
Dans une installation typique, par exemple quand l'arbre 22 supporte le rotor d'un turbocompresseur d'un moteur à réaction, on doit veiller à empêcher l'écoulement axial de fluide entre celui-ci et la couronne qui l'entoure. Le jeu entre l'arbre 22 .et la couronne 24 est légèrement augmenté pour recevoir un dispositif tel que celui de la fig. 2 ayant, ainsi qu'on le voit spécialement sur la fig. 4, la forme d'une couronne dont la périphérie externe est définie par le support 14, fixé par n'importe quel moyen convenable, tel que soudage ou rivetage, à la face interne de la couronne 24.
Dans une construc tion de ce genre, le nid d'abeille est fait de préférence de tôle métallique d'une épaisseur comprise entre 0,025 et 0,075 mm. La hauteur des cellules des, nids d'abeille est fixée, de préférence, de façon à donner un jeu radial compris entre 0,025 et 0,250 mm entre les bords libres des cellules et l'arbre tournant 22. Mais il est bien évident que le jeu pourra être fixé à d'autres valeurs pour satisfaire aux exigences des installations particulières.
En se référant à la fig. 4, le joint étanche réalisé entre le dispositif et l'arbre 22 résulte de l'action de turbulence du fluide dans les cellules 16, ainsi que les lignes de référence 26 l'indiquent, après que le fluide est passé entre le bord amont du nid d'abeille et l'arbre. On notera que la turbulence du fluide est augmentée par l'inclinaison des axes des cellules dans le sens opposé à celui du courant de fluide. Une série de tels passages, avec comme conséquence les pertes d'énergie dues à la turbulence, étrangle le cou rant fluide et par conséquent réalise un joint étanche effectif sur l'arbre.
Les dimensions latérales et verti cales des cellules 16 du nid d'abeille doivent, toutes deux, êtres choisies de façon à obtenir la turbulence désirée. En se basant sur l'expérience actuelle on a déterminé que les dimensions latérales des cellules devraient être comprises entre un minimum de 2,4 mm et un maximum de 3 mm environ. On a trouvé, qu'un nid d'abeille d'une hauteur sensiblement égale à la dimension latérale maximum d'une cellule 16 produit les meilleurs résultats.
Bien que le dispositif de la fig. 2 soit utilisé de préférence comme joint d'arbre, en raison de l'augmentation de turbulence produite par les cellules inclinées, on a constaté qu'un dispositif du type représenté à la fig. 1 pouvait être utilisé avec d'excellents résultats.
Ainsi qu'on l'a suggéré plus haut, les dispositifs décrits ont une fonction double qui les rend tout particulièrement applicables aux installations telles que celle représentée à la fig. 4. Outre qu'ils permet tent de réaliser un joint étanche effectif sur un arbre ils protègent efficacement contre les détériorations pouvant survenir entre l'arbre 22 et la couronne 24 en cas de mauvais équilibrage, dilatation ou défor mation relative de ces pièces. Si l'un de ces faits se produit, l'arbre 22 viendra toucher les bords libres des cellules plutôt que l'élément d'appui 14 de la couronne 24. En raison de leur légèreté, les parois des cellules cèdent rapidement et s'adaptent ainsi à l'action qu'elles subissent en pliant ou en s'usant.
L'adaptation étant instantanée et la masse du corps considéré étant très faible, la chaleur dégagée est insuffisante pour déformer l'arbre et causer ainsi une détérioration plus grave. Si nécessaire, des enduits antifriction pourront être appliqués à l'arbre ou au corps ou à l'un et à l'autre, pour diminuer le frotte ment entre les pièces en cas de contact. Il doit être bien entendu que l'on pourra obtenir d'aussi bons résultats en montant le nid d'abeille sur l'élément tournant et non plus sur l'élément fixe ainsi qu'on l'a représenté. On prévoit de plus que le joint nid d'abeille représenté pourra être utilisé conjointe ment avec des bagues à labyrinthe usuelles, si on le désire.
La fig. 6 représente une variante de joint étanche pour arbre. Dans ce montage, le dispositif à nid d'abeille a la forme d'un anneau avec support 14 disposé radialement, les axes des cellules étant diri gés axialement, par rapport à l'arbre 22. Le dispositif à nid d'abeille coopère avec une rondelle annulaire d'étanchéité 28, avec essentiellement le même effet que celui décrit à propos des fig. 4 et 5. Si on le désire, la position du dispositif à nid d'abeille et de la rondelle d'étanchéité 28 peut être inversée, le nid d'abeille étant fixé à l'arbre 22 et la rondelle d'étan chéité à la couronne fixe 24.
Le joint ainsi réalisé est également efficace, que les extrémités ouvertes des cellules soient dirigées vers le côté haute pression ou vers le côté basse pression du système. Les fig. 7 et 8 représentent une forme d'exécution avantageuse<B>du</B> dispositif suivant l'invention. Dans ces figures 30 désigne une aube de compresseur, ou de turbine, montée de la manière habituelle, sur un moyeu de rotor 32. Une enveloppe ou carter rigide 34 entoure les extrémités des aubes. Conformément à la pratique habituelle, un jeu assez faible doit exis ter, pour conserver le rendement des pales, entre la face interne du carter 34 et les extrémités des aubes 30.
Si un jeu suffisamment faible est maintenu pour satisfaire à cette exigence, il y a un risque important de contact entre le carter et les extrémités des aubes. Comme la masse des pièces est relativement élevée, un tel contact peut produire des effets désastreux.
Un dispositif du type représenté à la fig. 2 est inter posé entre la couronne formée par le carter et les extrémités des aubes, l'élément d'appui 14 étant de préférence fixé à la face interne du carter 34 et les extrémités libres du nid d'abeille 12 s'étendant radia- lement vers l'intérieur en respectant le faible jeu voulu par rapport aux extrémités des aubes.. Un con tact accidentel entre les aubes et les extrémités des cellules. est rapidement compensé par le pliage, l'usure ou le sectionnement d'une partie du dispositif à nid d'abeille, fin et léger, de façon à permettre à la machine de continuer à fonctionner sans dom mage, ou avec peu de dommage, pour l'aube.
Des enduits antifriction peuvent être utilisés sur les aubes ou sur le profil du nid d'abeille pour réduire le frot tement en cas de contact.
Un contact accidentel ne présentant aucune gra vité, on pourra utiliser le jeu radial optimum entre les extrémités des aubes et les bords libres du dispo sitif à nid d'abeille et on éliminera ainsi l'obligation de créer un jeu excessif pour réduire les risques de contact accidentel entre l'aube et l'anneau de frotte ment habituel. Il est préférable que l'écoulement du fluide entre les extrémités des aubes et l'anneau de frottement soit laminaire plutôt que turbulent, car la turbulence dans la zone des aubes diminue le rendement.
On a établi que l'utilisation de petites cellules dans le nid d'abeille, par exemple des cellules d'une dimension latérale de 2,3 mm, maintient le régime d'écoulement désiré, particulièrement si la profondeur du nid d'abeille est inférieure à la dimension latérale de la cellule.
On a trouvé que le régime d'écoulement désiré pouvait être obtenu en utilisant le dispositif repré senté à la fig. 2 avec les axes des cellules inclinés dans le sens de rotation de l'aube de turbine, comme représenté à la fig. 8. On remarquera qu'en outre ce genre de construction diminue la résistance à la déformation offerte par un dispositif à nid d'abeille et diminue ainsi le risque de dommage important au cas où un contact accidentel se produirait entre le dispositif à nid d'abeille et l'aube de turbine.
Cepen dant on a constaté qu'on pouvait aussi obtenir d'excellents résultats en substituant un dispositif selon la fig. 1 à un dispositif selon la fig. 2 dans, les condi tions d'application des fig. 7 et 8.
Il doit être bien entendu que, bien que dans les exemples cités les dispositifs décrits ont été utilisés avec des pièces subissant l'une par rapport à l'autre un mouvement de rotation, ils peuvent être appliqués avec autant de succès à des installations qui sont le siège de mouvements alternatifs, oscillatoires, de translation ou autres.
Dans toutes les formes d'exécution, spécialement dans les cas où l'on désire obtenir un écoulement laminaire plutôt que turbulent, il peut y avoir avan tage à remplir, en tout ou en partie, le nid d'abeille d'une matière friable s'usant facilement, de préférence poreuse, par exemple un réfractaire coulé tel que l'oxyde de magnésium ou le plâtre à mouler de façon à pouvoir bénéficier des avantages d'un joint d'étan chéité très poussé, dans certaines conditions, par exemple quand on veut réaliser l'étanchéité aux ex trémités des aubes.
La charge de remplissage en elle-même n'aura besoin que d'une résistance faible puisqu'elle est complètement supportée par l'ossature à nid d'abeille du dispositif. Certains métaux sous forme mousse pourront également être utilisés comme matière de remplissage.