FR2558917A1 - Garniture d'etancheite pour reduire un flux gazeux dans l'espace compris entre deux elements mobiles - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN JOINT D'ETANCHEITE POUR REDUIRE UN FLUX GAZEUX DANS L'ESPACE COMPRIS ENTRE DEUX ELEMENTS MOBILES L'UN PAR RAPPORT A L'AUTRE. LE JOINT 36, REDUISANT LE FLUX GAZEUX DANS L'ESPACE 30 COMPRIS ENTRE DES PREMIER 14 ET SECOND 20 ELEMENTS MUTUELLEMENT MOBILES, COMPREND UNE CONSOLE DE SUPPORT 41 ASSUJETTIE AU PREMIER ELEMENT 14, AINSI QU'UNE PLAQUE D'ETANCHEITE 42 ARTICULEE SUR LA CONSOLE 41. L'UNE 56 DES EXTREMITES DE LA PLAQUE 42 EST EN CONTACT COULISSANT AVEC LE SECOND ELEMENT 20. LE JOINT 36 COMPORTE EGALEMENT UNE MEMBRANE FLEXIBLE 43 QUI EST FIXEE RIGIDEMENT A LA CONSOLE 41 SUPPORTANT LA PLAQUE D'ETANCHEITE 42, AFIN D'EMPECHER UNE FUITE DES GAZ A TRAVERS UNE CHARNIERE 54. APPLICATION AUX MOTEURS A TURBINE A GAZ.
Description
La présente invention se rapporte, d'une manière
générale, à des joints d'étanchéité destinés à être inter-
calés entre deux éléments mutuellement mobiles. Plus parti-
culièrement, elle concerne des joints d'étanchéité équipant
S des tuyères d'éjection devant être utilisées dans des mo-
teurs à turbine à gaz pour avions.
Dans les moteurs à réaction de haute performance équipant des avions, il est fréquemment souhaitable, pour améliorer le rendement du moteur, de prévoir une tuyère d'éjection dont la section de passage est variable. Par exemple, des tuyères à deux dimensions (2D) comprennent deux parois latérales pratiquement fixes, ainsi que des volets
supérieur et inférieur, qui délimitent le contour de l'ou-
verture d'éjection. Les volets supérieur et inférieur peu-
vent être ouverts ou fermés, par un moyen de manoeuvre ap-
proprié pour faire varier la superficie de l'ouverture d'é-
jection. Lorsqu'ils effectuent un tel mouvement, ces volets supérieur et inférieur coulissent par rapport aux parois latérales. L'espace compris entre les volets mobiles et les parois latérales fixes constitue un trajet de fuite pour des gaz à pression relativement élevée présents dans le flux principal d'éjection. Par conséquent, une préoccupation majeure consiste, lors de la conception de tels systèmes d'éjection, à maîtriser la fuite survenant par un tel espace -2-
ou intervalle.
Par le passé, on a utilisé deux types de joints d'étanchéité du système d'éjection: des joints à lèvres élastiques et des joints à lèvres, articulées. Les joints à lèvres élastiques consistent en un organe de configuration générale en U, qui est assujetti par l'un de ces côtés à l'un des éléments dont l'étanchéité doit être assurée, et qui, par son autre côté, est en contact par frottement avec l'autre élément. Ce joint d'étanchéité peut être chargé par un ressort, de façon qu'il maintienne le contact entre les deux éléments lorsque ces derniers s'écartent l'un de l'autre. Tout comme les autres joints d'étanchéité, ce joint doit satisfaire à deux exigences fondamentales. En effet, il doit être suffisamment robuste pour résister à la pression relativement forte du flux des gaz d'éjection et il doit, concomitamment être suffisamment flexible pour se dilater et se contracter en fonction de variations de l'intervalle. En général, des joints d'étanchéité à lèvres élastiques, ne sont pas à même de répondre à ces exigences: si ils sont suffisamment robustes pour résister à la pression, ils ne peuvent pas être suffisamment flexibles pour manifester la
dilatation nécessaire.
Les joints d'étanchéité à lèvres articulées, com-
portent en général deux plaques aplaties qui pivotent à
partir d'un point commun d'articulation. L'une de ces pla-
ques est fixée à l'un des éléments dont l'étanchéité doit être assurée, l'autre plaque étant en contact par frottement avec l'autre élément. Des joints de ce type satisfont aux
exigences d'une grande robustesse et d'une faculté d'expan-
sion et de contraction lorsque l'intervalle s'ouvre et se ferme. Cependant, de tels joints soulèvent une difficulté consistant en ce qu'un trajet de fuite pour les gaz pression
élevée s'établit à travers l'articulation. Malgré une con-
ception scrupuleuse, les tuyères classiques accusent une pénalisation de rendement de l'ordre de 0,6 % à 0,9 % en
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-3-
débit et en poussée.
Un objet de la présente invention consiste à pro-
poser un joint d'étanchéité nouveau et perfectionné pour réduire le flux gazeux dans l'espace compris entre deux
S éléments mutuellement mobiles.
Un autre objet de la présente invention vise à proposer un joint d'étanchéité léger, à forte excursion, équipant des systèmes d'éjection et provoquant des pertes
réduites par rapport à des joints d'étanchéité connus jus-
qu'à présent.
Conformément à la présente invention, il est pro-
posé un moyen destiné à réduire un flux gazeux dans l'espace situé entre des premier et second éléments mobiles l'un par rapport à l'autre. Ce moyen comprend une console de support, une plaque d'étanchéité et une membrane flexible. La console
de support est fixée au premier élément. La plaque d'étan-
chéité présente des première et seconde extrémités op-
posées, sa première extrémité étant articulée sur la console
de support et sa seconde extrémité étant en contact coulis-
sant avec le second élément. La membrane flexible est assu-
jettie à la console de support et à la plaque d'étanchéité.
La suite de la description se réfère aux figures
annexées représentant respectivement: - figure 1 une vue en perspective, fragmentaire,
par-derrière d'une tuyère d'éjection réalisée selon la pré-
sente invention; - figure 2 une vue en perspective, fragmentaire, avec arrachement du joint d'étanchéité conformément à la présente invention;
- figure 3 une coupe transversale du joint repré-
senté à la figure 2, observé dans le sens de la flèche 3.
La figure 1 illustre une tuyère d'éjection 10 à deux dimensions du type pouvant équiper un moteur à turbine à gaz d'avion. Cette tuyère 10 présente une ouverture 12
pour évacuer les gaz d'éjection du moteur vers l'atmosphère.
- 4 -
L'ouverture d'éjection 12 est délimitée par un volet supé-
rieur mobile 14, par un volet inférieur mobile 16 et par des
panneaux latéraux 20 et 22. Les volets supérieur 14 et infé-
rieur 16 sont l'un et l'autre, sensiblement perpendiculaires aux panneaux latéraux 20 et 22. Lorsque le volet 14 pivote autour d'une ligne d'articulation 24, une arête latérale 26 de ce volet 14 est en contact coulissant avec le panneau
latéral 20.
Par suite des fortes pressions et des températures élevées régnant dans l'ouverture d'éjection 12, les panneaux latéraux 20 et 22 ne demeurent pas parfaitement rigides. Ces panneaux 20 et 22 peuvent accuser plutôt une tendance à se mouvoir latéralement le long d'une ligne 40. Ce mouvement crée un intervalle 30 de section variable entre l'arête latérale 26 du volet mobile 14 et le panneau latéral 20. Par conséquent, les gaz présents dans une région 32 (ouverture 12) à pression relativement élevée ont tendance à s'échapper jusque dans une région 34 à pression relativement faible, à la face externe du volet 14. En vue de restreindre le flux gazeux dans l'espace ou intervalle 30 entre l'arête latérale
26 et le panneau latéral 20, on a prévu un joint d'étan-
chéité 36. Il convient de faire observer qu'un joint analo-
gue peut être installé sur chaque arête latérale des volets supérieur 14 et inférieur 16 en contact coulissant avec les
panneaux latéraux 20 ou 22.
Les figures 2 et 3 représentent de manière plus
détaillée le joint d'étanchéité 36. Bien que ce joint con-
formément à la présente invention soit décrit ci-après ap-
pliqué à une tuyère d'éjection, il est évident qu'il s'ap-
plique de la même manière à des structures d'étanchéité pour restreindre un flux gazeux dans l'espace compris entre deux éléments quelconques mobiles l'un par rapport à l'autre. En général, le volet supérieur ou premier élément 14 est mobile par rapport au panneau latéral ou second élément 20. Ce
mouvement relatif peut consister en un mouvement de coulis-
sement repéré par des flèches 38, ou bien en un mouvement latéral indiqué par des flèches 40. Le joint d'étanchéité 36, dans l'intervalle ou espace 30 entre les éléments 14 et , est conçu pour réduire le flux gazeux de la région 32 à S pression relativement élevée jusqu'à la région 34 à pression
relativement faible.
Le joint 36 se compose d'une console de support 41, d'une plaque d'étanchéité 42 et d'une membrane flexible
43. La console 41 et la plaque 42 forment un joint d'étan-
chéité à lèvre articulée. Une première extrémité 44 de la
console 41 est fixée à un rebord 27 du premier élément 14.
N'importe quel moyen de fixation approprié peut être utilisé
pour assujettir cette extrémité 44 à l'élément 14. Toute-
fois, il s'est révélé que plusieurs boulons 46, conjugués à une soudure ininterrompue 48 à recouvrement, assujettissent
rigidement la console de support 41 au rebord 27 et rédui-
sent sensiblement jusqu'à une valeur nulle la fuite des gaz entre ces éléments. En outre, un tel agencement autorise une
installation et un remplacement relativement simples.
La plaque d'étanchéité 42 possède une première extrémité 50 reliée à pivotement, par une charnière à une seconde extrémité 52 de la console de support 41. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3, la charnière 54 résulte du fait que la première extrémité 50 de la plaque 42 présente une configuration cylindrique et que
la seconde extrémité 52 de la console 41 est de forme cylin-
drique, de sorte que ces extrémités 50 et 52 sont accouplées
concentriquement en contact pivotant. Le cadre de la pré-
sente invention englobe également l'utiliation d'autres moyens d'articulation. Par exemple, une charnière à goupille
peut être avantageusement employée.
Une seconde extrémité S6 de la plaque d'étanchéité 42 est en contact coulissant avec le second élément 20. En service, de l'air sous pression relativement élevée dans la région 32 exerce, sur la plaque d'étanchéité 42, une poussée -6- dans la direction indiquée par une flèche 58. Une telle force constitue un moyen de sollicitation pour pousser la plaque 42 au contact de l'élément 20, afin de maintenir la seconde extrémité 56 intimement appliquée contre l'élément 20, en réduisant ainsi la fuite des gaz entre ces organes. Conjointement à la plaque d'étanchéité 42, la console de support 41 réduit partiellement le flux gazeux entre la région 32 de pression élevée et la région 34 de
basse pression. Cependant, quel que soit le type de char-
nière 54 utilisé, il existe un trajet de fuite à travers cette charnière. En vue de réduire le flux gazeux traversant
la charnière 54, la membrane flexible 43 est fixée rigide-
ment à la console de support 41 et à la plaque d'étanchéité 42.
Dans un mode de réalisation recommandé, la mem-
brane flexible 43 présente une configuration générale en U, de sorte que sa face concave 45 est tournée vers la région
32 à pression élevée. Cette membrane 43 doit être de préfé-
rence assujettie respectivement à la console 41 et à la plaque 42 par des moyens de fixation, de telle sorte qu'il
ne se produise sensiblement aucun écoulement gazeux à tra-
vers la charnière 54. Dans un mode de réalisation recomman-
dé, on peut avoir recours à une soudure à la molette.
La membrane flexible 43 s'ouvre et se ferme en même temps que la plaque d'étanchéité 42, mais, étant donné que cette membrane 43 se trouve à proximité de la charnière 54, il n'est pas nécessaire qu'elle s'ouvre aussi amplement que la plaque 42. De surcroît, du fait que la face concave est tournée vers la région 32 à pression élevée, la zone curviligne de la membrane est soumise à une tension de flexion. Par conséquent, elle peut être úabriquée en un matériau hautement résistant, mais néanmoins relativement mince. Par exemple, on peut avantageusement utiliser un
alliage à base de nickel, du type "René 41" ou "Inconel 718".
En fonctionnement, la membrane flexible 43 appli-
-7- que une force initiale de sollicitation pour amener, par poussée, la plaque d'étanchéité 42 au contact du second élément 20. Lorsqu'une forte pression se développe dans la région 32, cette pression exerce, sur la membrane flexible 43, une force de sollicitation supplémentaire 58 pour main- tenir la plaque 42 en contact avec l'élément 20. Ainsi, la plaque 42 est en mesure d'assurer une étanchéité fiable sur une étendue de séparation relativement grande entre les éléments 14 et 20. Le fait d'installer la membrane flexible 43 à proximité de la charnière 54 permet de réduire à un
minimum l'ampleur du fléchissement de cette membrane 43.
Il peut être avantageux de prolonger la membrane
flexible 43 au-delà de la première extrémité 44 de la con-
sole 41, et d'effectuer une soudure à la molette dans cette zone. De la sorte, une seule et unique soudure empêche une fuite entre le rebord 27 et la membrane 43. Elle supprime également la nécessité d'une soudure 48 à recouvrement sur
la première extrémité 44 de la console de support 41.
IL apparaîtra clairement à l'homme de l'art que la
présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisa-
tion spécifiques décrites et illustrées dans la présente
invention, pas plus qu'elle se limite à un joint d'étan-
chéité équipant des systèmes d'éjection à parois planes. En revanche, l'invention peut tout aussi bien être appliquée à des dispositifs d'étanchéité pour réduire le flux gazeux entre deux éléments quelconques mobiles l'un par rapport à l'autre. Il apparaîtra aisément que les dimensions et les relations proportionnelles et structurelles représentées sur
les dessins le sont seulement à titre d'exemple, et ne doi-
vent pas être considérées comme les dimensions et propor-
tions réelles utilisées dans le joint d'étanchéité selon la
présente invention.
Il va de soi que de nombreuses modifications peu-
vent être apportées au joint décrit et représenté, sans
sortir du cadre de l'invention.
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Claims (7)
1. Joint d'étanchéité pour réduire un flux gazeux dans l'espace compris entre des premier et second éléments mobiles l'un par rapport à l'autre, joint caractérisé en ce qu'il comprend: - une console de support (41) fixée au premier élément (14); - une plaque d'étanchéité (42) présentant des
première (50) et seconde (56) extrémités opposées, la pre-
mière extrémité étant articulée sur la console de support (41) et la seconde extrémité étant en contact coulissant avec le second élément (20); et - une membrane flexible (43) reliée rigidement à
la console de support (41) et à la plaque d'étanchéité (42).
2. Joint d'étanchéité disposé dans l'espace com-
pris entre deux éléments mobiles l'un par rapport à l'autre
pour réduire le flux gazeux d'une région à pression relati-
vement élevée jusqu'à une région à pression relativement basse, joint caractérisé en ce qu'il comprend:
- une console de support (41) présentant des pre-
mière (44) et seconde (52) extrémités, la première extrémité étant fixée au premier élément (14); - une plaque d'étanchéité (42) munie de première
(50) et seconde (56) extrémités opposées, la première extré-
mité (50) étant reliée à la seconde extrémité (52) de la
console de support (41) par une charnière (54), et la se-
conde extrémité (56) étant en contact coulissant avec le second élément (20), les gaz présents dans la région (32) à pression élevée constituant un moyen de sollicitation pour pousser (58) la plaque (42) au contact du second élément (20); et - une membrane flexible (43) fixée rigidement à la console de support (41) et à la plaque d'étanchéité (42), cette membrane (43) réduisant le flux gazeux traversant la
charnière (54).
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3. Joint d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane flexible (43) présente une configuration générale en U avec une face concave (45), de manière que cette face concave soit tournée vers la région (32) à pression relativement élevée.
4. Joint d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la membrane flexible (43) est assujettie respectivement à la console (41) et à la plaque (42) par des moyens de fixation, de telle sorte qu'il ne se produise sensiblement aucun écoulement gazeux à travers la
charnière (54).
5. Joint d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisé en ce que la charnière consiste en ce que la
première extrémité (50) de la plaque (42) présente une pre-
mière configuration cylindrique, que la seconde extrémité (52) de la console (41) présente une seconde configuration cylindrique, et que les extrémités (50, 52) sont accouplées
concentriquement en contact pivotant.
6. Joint d'étanchéité installé dans l'espace com-
pris entre deux éléments mobiles l'un par rapport à l'autre afin de réduire le flux gazeux entre ces éléments, joint, caractérisé en ce qu'il comprend:
- une console de support (41) comportant des pre-
mière (44) et seconde (52) extrémités, la première extrémité (44) étant assujettie au premier élément (14); - une plaque d'étanchéité (42) présentant des première (50) et seconde (56) extrémités opposées, ladite première extrémité (50) étant reliée à la seconde extrémité (52) de la console de support (41) par une charnière (54), et la seconde extrémité (56) étant en contact coulissant avec le second élément (20); et - une membrane flexible (43) reliée rigidement à la console de support (41) et à la plaque d'étanchéité (42);
et en ce que la membrane (43) constitue un moyen de sollici-
tation pour pousser la plaque (42) au contact du second
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élément (20), cette membrane réduisant le flux gazeux à
travers la charnière (54).
7. Joint d'étanchéité disposé dans l'espace com-
pris entre deux éléments sensiblement perpendiculaires et mobiles l'un par rapport à l'autre, afin de réduire le flux gazeux d'une première région à une pression donnée jusqu.'à
une seconde région à une pression inférieure, joint caracté-
risé en ce qu'il comprend:
- une console de support (41) comportant des pre-
mière (44) et seconde (52) extrémités, la première extrémité (44) étant assujettie au premier élément (14); - une plaque d'étanchéité (42) comprenant des
première (50 et seconde (56) extrémités opposées, la pre-
mière extrémité (50) étant reliée à la seconde extrémité (52) de la console de support (41) par une charnière (54), et la seconde extrémité (56) étant en contact coulissant avec le second élément (20); - une membrane flexible (43) de configuration générale en U, dotée d'une face concave (45), cette membrane étant fixée rigidement à la console de support (41) et à la plaque d'étanchéité (42) de telle sorte que la face concave soit tournée vers la première région (32); et en ce que la
membrane (43) constitue un moyen de sollicitation pour pous-
ser (en 58) la plaque (42) au contact du second élément (20), cette membrane réduisant le flux gazeux traversant la
charnière (54).
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