EP4731921A1 - Dispositif d'étanchéité tournant à joint labyrinthe - Google Patents

Dispositif d'étanchéité tournant à joint labyrinthe

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EP4731921A1
EP4731921A1 EP24738013.2A EP24738013A EP4731921A1 EP 4731921 A1 EP4731921 A1 EP 4731921A1 EP 24738013 A EP24738013 A EP 24738013A EP 4731921 A1 EP4731921 A1 EP 4731921A1
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EP
European Patent Office
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sealing device
seal
face
rotating sealing
longitudinal axis
Prior art date
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Pending
Application number
EP24738013.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Clément Raphaël LAROCHE
Stéphane Xavier Gérard ROUSSELIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/44—Free-space packings
    • F16J15/447—Labyrinth packings
    • F16J15/4472—Labyrinth packings with axial path
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/18—Lubricating arrangements
    • F01D25/183—Sealing means

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Dispositif d'étanchéité tournant (20) comprenant un premier élément (8) monté à rotation autour d'un axe longitudinal (Ax) relativement à un deuxième élément (12), dans lequel l'un des premier et deuxième éléments (8, 12) comprend une portée de joint (40) présentant une première extrémité libre (42) et l'autre des premier et deuxième éléments (8, 12) comprend un joint (21) qui réalise une étanchéité avec une première face (41) de la portée de joint (40), l'autre des premier et deuxième éléments (8, 12) comprenant également une portion (26) comportant une face extérieure (27) opposée à une face intérieure (28), la face intérieure (28) s'étendant en regard d'une deuxième face (44) de la portée de joint (40) opposée à la première face (41), de manière à ce qu'une deuxième extrémité libre (29) de la portion (26) présente un décalage (d29-42) non nul avec la première extrémité libre (42) dans une direction parallèle à l'axe longitudinal (Ax). Turbomachine comprenant un tel dispositif (20).

Description

DESCRIPTION
TITRE DE L'INVENTION
Dispositif d'étanchéité tournant à joint labyrinthe
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine des dispositifs d'étanchéité pour éléments tournants et plus particulièrement aux dispositifs d'étanchéité à joints labyrinthes.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s'applique à la fois aux nouveaux types d'avions mais aussi ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en oeuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L'aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d'améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l'environnement et dont l'intégration et l'utilisation dans l'aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d'amélioration de l'efficacité énergétique des avions.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique par l'emploi de méthodes et l'exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d'avions, l'allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l'emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.
A cet effet, l'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l'impact environnemental des avions. Pour cela, l'invention concerne la réduction de la consommation d'huile de lubrification et la limitation de la dispersion de cette huile de lubrification dans l'environnement de l'avion.
Classiquement un palier d'un élément tournant d'une turbomachine est lubrifié par projection centrifuge d'huile de lubrification. Les paliers et leur nuage d'huile projetée sont confinés dans une enceinte dont il convient d'assurer l'étanchéité, l'huile de lubrification pouvant altérer le fonctionnement d'autres organes de la turbomachine voisins de l'enceinte. Un dispositif d'étanchéité tournant comprend généralement un joint à lèvre ou un joint labyrinthe à léchettes solidaire d'un élément fixe et qui vient en appui (joint à lèvre) ou à affleurement relativement à un arbre tournant. Pour limiter la quantité d'huile que doit arrêter le joint, il est connu d'installer un dispositif d'étanchéité à lance-goutte -ou déshuileur- à proximité du joint. Le lance-goutte consiste en une paroi radiale solidaire en rotation de l'arbre tournant et qui évacue centrifugement vers un collecteur les particules d'huile projetées sur la paroi. Cependant, une quantité d'huile franchit ce type de dispositif à lance-goutte et vient pénétrer le joint labyrinthe.
Lors de l'arrêt de la rotation de l'élément tournant, les gouttelettes d'huile présentes dans le joint labyrinthe ruissèlent le long des pièces. En cas de contact avec les pièces chaudes, celles-ci se cokéfient ce qui est préjudiciable au fonctionnement de la turbomachine.
OBJET DE L'INVENTION
L'invention a pour objet d'améliorer l'étanchéité d'un dispositif d'étanchéité tournant de type à joint. EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, on prévoit un dispositif d'étanchéité tournant comprenant un premier élément monté à rotation autour d'un axe longitudinal relativement à un deuxième élément, dans lequel l'un des premier et deuxième éléments comprend une portée de joint présentant une première extrémité libre et l'autre des premier et deuxième éléments comprend un joint qui réalise une étanchéité avec une première face de la portée de joint. L'autre des premier et deuxième éléments comprend également une portion comportant une face extérieure opposée à une face intérieure. La face intérieure s'étend en regard d'une deuxième face de la portée de joint opposée à la première, de manière à ce qu'une deuxième extrémité libre de la portion présente un décalage non nul avec la première extrémité libre dans une direction parallèle à l'axe longitudinal.
On obtient ainsi un dispositif d'étanchéité pourvue d'une chicane qui créée une zone de mise en pression de l'air et, en réduisant également la section de passage d'air, améliore l'efficacité du joint.
Selon d'autres modes de réalisation particuliers, non exclusifs et optionnels de l'invention : la face extérieure forme un premier angle non nul avec l'axe longitudinal, préférentiellement, un premier angle compris entre vingt degrés et quatre-vingt degrés0; la première extrémité libre comprend une première protubérance en saillie externe et dont le sommet forme un deuxième angle aigu avec l'axe longitudinal ; la deuxième extrémité libre comprend une deuxième protubérance en saillie externe qui forme un troisième angle aigu avec la face extérieure ; la face extérieure comprend une pluralité de dents en saillie externe ; la portion est reliée à l'autre des premier et deuxième éléments par un voile continu qui forme un quatrième angle obtus avec l'axe longitudinal ; le joint est un joint de type labyrinthe ; le joint est solidaire du premier élément.
L'invention concerne également une turbomachine comprenant un carter et un premier dispositif d'étanchéité tournant tel que décrit ci-dessus, dans lequel un rotor de la turbomachine est relié au premier élément et le deuxième élément est relié au carter, le carter accueillant un palier du rotor. Optionnellement, la turbomachine comprend un deuxième dispositif d'étanchéité tournant implanté de manière à ce que le premier et le deuxième dispositif d'étanchéité tournant se trouvent de part et d'autre du palier.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux figures jointes parmi lesquelles :
[Fig.l] La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un moteur d'aéronef ;
[Fig.2] La figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un arbre pourvu d'un dispositif d'étanchéité selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
[Fig.3] La figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un arbre pourvu d'un dispositif d'étanchéité selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans une turbomachine, ici un turboréacteur caréné repéré 1 dans la figure 1, l'air est admis dans une manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante comportant une série de pales rotatives 3 avant de se scinder en un flux primaire central qui circule dans une veine dite de circulation d'un flux d'air primaire et un flux secondaire entourant le flux primaire.
Le flux primaire est compressé par des étages de compresseurs 4 et 5 avant d'atteindre une chambre de combustion 6, après quoi il se détend en traversant des turbines 7, avant d'être évacué en générant une poussée. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement par la soufflante pour générer la poussée principale.
Les étages de compresseurs 4 et 5 comprennent des distributeurs fixes régulièrement espacés autour d'un arbre 8 (non représenté en fig.l) monté à rotation autour d'un axe longitudinal AX dans une nacelle 9 entourant l'ensemble. Les pales des étages de compresseurs 4 et 5 et des turbines 7 sont solidaires en rotation de l'arbre 8. L'arbre 8 est monté à rotation relativement à un élément statique, ici à la nacelle 9 à l'aide de plusieurs paliers 10 lubrifiés à l'huile et qui sont confinés dans des enceintes 11.
Dans le présent texte, les termes « intérieur » ou « interne » et « extérieur » ou « externe » sont utilisés en référence à la position ou l'orientation par rapport à l'axe de rotation de la turbine du turboréacteur 1. Dans le présent texte, les termes « amont » AM et « aval » AV sont utilisés en référence à la position ou l'orientation d'un élément selon le sens d'écoulement de l'air dans le turboréacteur 1. Il est également défini une direction axiale, une direction radiale qui est orthogonale à la direction axiale et une direction circonférentielle qui est orthogonale aux directions axiale et radiale.
En référence à la figure 2, l'enceinte 11 comprend un carter 12 relié à la nacelle 9. Le carter 12 comprend une cloison 13 aval traversée par l'arbre 8 et qui est munie d'un dispositif d'étanchéité tournant 20. Le dispositif 20 comprend un joint labyrinthe 21 à léchettes 22 connu en lui-même et qui est monté serré sur l'arbre 8 afin d'en être solidaire en rotation. Le joint 21 possède une face aval 21.1 qui vient en butée contre un épaulement 8.1 de l'arbre 8. Les léchettes 22 viennent en regard d'une portée de joint 40 pour réalise une liaison étanche avec une première face 41 de la portée 40. La portée de joint 40 est solidaire du carter 12 et s'étend sensiblement parallèlement à l'axe Ax depuis la cloison 13 vers l'amont de celle-ci pour se terminer par une première extrémité libre 42. L'extrémité libre 42 comprend une première protubérance 43 en saillie radiale externe de la portée de joint 40 qui relie la face 41 avec une deuxième face 44 de la portée 40 opposée à la face 41.
La protubérance 43 possède un sommet 43.1 qui forme, ici, un angle aigu a43 avec l'axe longitudinal Ax. Le dispositif 20 comprend également une bague 23 clavetée sur l'arbre 8 et qui possède une face aval 23.1 qui vient en appui sur une face 21.2 amont du joint 21. La bague 23 possède une face amont 23.2 sur laquelle s'appuie une entretoise 14 de séparation avec le palier 10.
La bague 23 comprend un corps 24 sensiblement en forme de cylindre droit d'axe longitudinal Ax et en saillie duquel s'étend un voile 25 continu qui forme un angle [325 obtus avec l'axe longitudinal Ax. Le voile 25 relie le corps 24 à une portion 26 sensiblement parallèle à l'axe Ax et qui possède une face extérieure Tl opposée à une face intérieure 28. La face intérieure 28 s'étend en regard de la face 44 de la portée de joint 40. Comme visible en figure 2, la deuxième extrémité libre 29 de la portion 26 présente une distance de décalage d29-42 non nulle avec la première extrémité libre 42 dans une direction parallèle à l'axe longitudinal Ax.
Afin de faciliter l'écoulement de l'huile qui y est déposée lors de l'arrêt de la rotation de l'arbre 8, la face extérieure Tl forme un angle 527 , ici égal à vingt degrés, avec l'axe longitudinal Ax.
On obtient ainsi un dispositif d'étanchéité pourvue d'une chicane qui créée une zone de mise en pression de l'air et, en réduisant également la section de passage d'air, améliore l'efficacité du joint 21. Les inclinaisons choisies de la face extérieure 27 et de la deuxième face 44 ainsi que la protubérance 43 et son inclinaison limitent le ruissellement de l'huile vers le joint 21 et donc contribuent également à l'amélioration de l'étanchéité du dispositif 20.
Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits porteront une référence numérique identique à celle-ci dans la description qui suit d'un deuxième, mode de réalisation de l'invention.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté en figure 3, la deuxième extrémité libre 29 comprend une deuxième protubérance 30 en saillie externe de la portion 26 et qui forme un angle aigu Q30 avec la face extérieure 27. La face extérieure Tl comprend également une pluralité de dents 31 en saillie externe de la portion 26.
Selon un troisième mode de réalisation non représenté, la turbomachine 1 comprend un deuxième dispositif d'étanchéité tournant implanté de manière à ce que le premier dispositif d'étanchéité 20 et le deuxième dispositif d'étanchéité tournant se trouvent de part et d'autre du palier 10. L'angle 527 constitue un premier angle 527 , l'angle a43 constitue un deuxième angle a43, l'angle Q30 constitue un troisième angle Q30, l'angle 25 constitue un quatrième angle P25.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.
En particulier, bien qu'ici le joint soit solidaire de l'élément tournant, l'invention s'applique également à un dispositif d'étanchéité dans lequel le premier élément comprend la portée de joint ; bien qu'ici la bague soit clavetée sur l'arbre, l'invention s'applique également à d'autres types de liaison en rotation entre l'arbre et le premier élément du dispositif d'étanchéité tournant comme par exemple un liaison par frettage, collage ou vissage ; bien qu'ici le dispositif d'étanchéité comprenne un joint labyrinthe, l'invention s'applique également à d'autres types de joint comme par exemple un joint tournant de type à lèvre ; bien qu'ici le moteur d'aéronef soit caréné, l'invention s'applique également à un moteur non caréné (aussi appelé « Open Fan ») bien qu'ici la face extérieure de la portion forme un angle de vingt degrés avec l'axe longitudinal, l'invention s'applique également à d'autres valeurs non nulle de premier angle comme par exemple un angle supérieur à zéro degré et inférieur à quatre-vingt-dix degrés, préférentiellement, un angle compris entre vingt degrés et quatre-vingt degrés.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'étanchéité tournant (20) comprenant un premier élément (8) monté à rotation autour d'un axe longitudinal (Ax) relativement à un deuxième élément (12), dans lequel l'un des premier et deuxième éléments (8, 12) comprend une portée de joint (40) présentant une première extrémité libre (42) et l'autre des premier et deuxième éléments (8, 12) comprend un joint (21) qui réalise une étanchéité avec une première face (41) de la portée de joint (40), l'autre des premier et deuxième éléments (8, 12) comprenant également une portion (26) comportant une face extérieure (27) opposée à une face intérieure (28), la face intérieure (28) s'étendant directement en regard d'une deuxième face (44) de la portée de joint (40) opposée à la première face (41), de manière à ce qu'une deuxième extrémité libre (29) de la portion (26) présente un décalage (d29- 42) non nul avec la première extrémité libre (42) dans une direction parallèle à l'axe longitudinal (Ax), et dans lequel la face extérieure (27) forme un premier angle (527) non nul avec l'axe longitudinal (Ax), préférentiellement, un premier angle (527) compris entre vingt degrés et quatre-vingt degrés.
2. Dispositif d'étanchéité tournant (20) selon la revendication 1, dans lequel la première extrémité libre (42) comprend une première protubérance (43) en saillie externe et dont le sommet (43.1) forme un deuxième angle (a43) aigu avec l'axe longitudinal (Ax).
3. Dispositif d'étanchéité tournant (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième extrémité libre (29) comprend une deuxième protubérance (43) en saillie externe qui forme un troisième angle aigu (a43) avec la face extérieure (27).
4. Dispositif d'étanchéité tournant (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la face extérieure (27) comprend une pluralité de dents (31) en saillie externe.
5. Dispositif d'étanchéité tournant (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la portion (26) est reliée à l'autre des premier et deuxième éléments (8, 12) par un voile continu (25) qui forme un quatrième angle ( 25) obtus avec l'axe longitudinal (Ax).
6. Dispositif d'étanchéité tournant (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le joint (21) est un joint de type labyrinthe.
7. Dispositif d'étanchéité tournant (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le joint (21) est solidaire du premier élément (8).
8. Turbomachine (1) comprenant un carter (12) et un premier dispositif d'étanchéité tournant (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un rotor (8) de la turbomachine (1) est relié au premier élément (21) et le deuxième élément (40) est relié au carter (12), le carter (12) accueillant un palier (10) du rotor (8).
9. Turbomachine (1) selon la revendication 9, comprenant un deuxième dispositif d'étanchéité tournant (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le deuxième dispositif d'étanchéité tournant est implanté de manière à ce que le premier dispositif d'étanchéité (20) et le deuxième dispositif d'étanchéité tournant se trouvent de part et d'autre du palier (10).
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