FR2730276A1 - Garniture d'etancheite a anneau de glissement pour turbomachines, notamment des propulseurs a turbine a gaz - Google Patents
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Abstract
Le stator de machine présente un évidement (1), qui est ouvert en regard de l'arbre de machine, et qui est destiné à recevoir un anneau de pression (2) appuyé radialement de manière élastique dans l'évidement sur la périphérie de celui-ci, et des anneaux de glissement et d'étanchéité (4, 5) et (6, 7), les anneaux de glissement et d'étanchéité réalisent sur la périphérie de l'arbre, un joint d'étanchéité primaire alimenté en fluide de barrage, par l'intermédiaire de surfaces de portée de type conique se correspondant l'une à l'autre, les anneaux de glissement (4, 5) s'appuient, d'un côté sur l'anneau de pression (2), et de l'autre côté sur les anneaux d'étanchéité, et l'anneau de pression (2) et les anneaux de glissement (4, 5) sont divisés chacun en un endroit de la périphérie.
Description
L'invention se rapporte à une garniture d'étanchéité à anneau de
glissement pour turbomachines, notamment des propulseurs à turbine à gaz, pour réaliser l'étanchéité entre deux chambres soumises à des pressions de fluides différentes, entre un stator de
machine et un arbre de machine.
Notamment en ce qui concerne l'étanchéité entre arbres dans des turbomachines, le document EP 0 361 245 B1 divulgue de supporter de manière élastique et de centrer dans un carter, un anneau d'étanchéité, par l'intermédiaire d'un système de ressorts de flexion précontraints. Pour l'étanchéité primaire, l'anneau d'étanchéité fermé en soi doit être disposé sur l'arbre en formant un interstice radial; l'interstice radial doit être dimensionné de manière telle, que pour une différence de pression prédéterminée entre les deux chambres à rendre étanches l'une par rapport à l'autre, il se forme un interstice porteur du type palier à air. Par un appui axial élastique, à la manière d'un disque plan, l'anneau d'étanchéité doit être rendu étanche de manière secondaire, sur le carter et relativement par rapport aux deux chambres de
pression.
Dans l'optique de la maîtrise de dilatations d'origine thermique et mécanique des éléments glissants associés (anneau, arbre), en fonctionnement, le cas connu nécessite un interstice radial relativement grand au niveau de l'étanchéité primaire, et en conséquence un écoulement de fuite d'étanchéité relativement marqué. Un écoulement de fuite réduit pourrait certes être envisagé dans le cas d'une diminution de l'interstice radial, mais cela entraînerait tout au moins un risque important de contacts intensifs fréquents (usure), mais notamment d'un grippage des éléments de glissement associés, un grippage de très courte durée étant déjà susceptible de conduire à une détérioration complète du dispositif d'étanchéité. En raison des diamètres d'arbre relativement grands exigés (jusqu'à 60 mm et au- delà), et de l'augmentation résultante du volume d'interstice radial périphérique, global, le cas connu ne pourrait être mis en oeuvre qu'avec un écoulement de fuite marqué, si le risque d'une usure prématurée des pièces ou un grippage de la garniture d'étanchéité doit être évité. Dans ce cas connu, l'appui élastique axial à la manière d'un disque pour l'étanchéité secondaire, représente également une mise en oeuvre de construction importante avec un risque de pannes mécaniques (fatigue
et ruptures de ressorts).
Par ailleurs, on a proposé à la place de l'anneau d'étanchéité fermé en soi dans le cas connu venant d'être explicité, de prévoir un anneau d'étanchéité continuellement segmenté le long de la périphérie; dans le cadre d'une liaison dans la direction périphérique, des segments d'anneau, permettant une mobilité de ceux-ci les uns par rapport aux autres, le cas proposé conduit à un mode de construction relativement compliqué entraînant simultanément une mise en oeuvre plus élevée pour l'étanchéité secondaire. L'appui radial élastique de l'anneau d'étanchéité ou de "glissement", nécessite un grand nombre de ressorts d'appui, à savoir au moins deux ressorts par segment d'anneau. Le cas proposé ici ne peut également être réalisé qu'en s'affranchissant d'un volume d'implantation radial relativement grand, souvent inexistant dans le cas de turboréacteurs, en raison
d'impératifs de poids et de construction.
Par ailleurs, dans les turbomachines, par exemple des propulseurs à turbine à gaz, apparaissent des excentricités au niveau de l'arbre de machine, qui sont dues à des balourds du rotor ou à des variations de charge extrêmes, et qui, dans le cas de garnitures d'étanchéité du type de celles mentionnées, ne peuvent être maîtrisées qu'au prix d'une mise en oeuvre
inacceptable sur le plan de la construction.
Le but de l'invention consiste à indiquer une garniture d'étanchéité à anneau de glissement, qui, pour un mode de construction relativement simple, ne nécessite qu'un faible volume d'implantation, et qui, en tenant compte des diamètres d'arbre importants ainsi que d'influences thermiques et mécaniques occasionnées par le fonctionnement, permet de réaliser une étanchéité à faibles fuites entre des chambres soumises à des
pressions différentes au niveau de l'arbre de machine.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce au fait - que le stator de machine présente un évidement ouvert en regard de l'arbre de machine, et destiné à recevoir un anneau de pression appuyé radialement de manière
élastique dans l'évidement, sur la périphérie de celui-
ci, et des anneaux de glissement et d'étanchéité - que les anneaux de glissement forment sur la périphérie de l'arbre, un joint d'étanchéité dynamique à interstice alimenté en fluide de barrage, - que par l'intermédiaire de surfaces de portée de type conique se correspondant l'une à l'autre, les anneaux de glissement s'appuient, d'un côté sur l'anneau de pression, et de l'autre côté sur les anneaux d'étanchéité, en repoussant ainsi les anneaux d'étanchéité contre des surfaces radiales de l'évidement, - et que l'anneau de pression et les anneaux de glissement sont divisés chacun en un endroit de la périphérie. La combinaison d'au moins deux anneaux d'étanchéité et deux anneaux de glissement, permet d'obtenir une étanchéité primaire et une étanchéité secondaire optimales. L'étanchéité primaire au niveau de l'arbre est obtenue essentiellement par les anneaux de glissement divisés ou fendus sur l'étendue de la périphérie. En pratique, les anneaux de glissement sont conçus et disposés de manière telle, que pour une vitesse de rotation prédéterminée de l'arbre, ils engendrent par rapport à l'arbre de machine, des interstices porteurs aérodynamiques ou hydrodynamiques, à la manière de paliers à air, c'est à dire de petits interstices radiaux porteurs, qui s'établissent selon
des ordres de grandeurs usuels dans les paliers à air.
Le réglage ou la possibilité de régulation des interstices radiaux porteurs, similaires aux paliers, est donc une fonction de l'établissement localisé de pression au niveau de l'arbre, et des composantes radiales des forces de fermeture transmises aux anneaux de glissement par le système de ressort, le cas échéant sous l'effet auxiliaire de la pression du fluide de
barrage, par l'intermédiaire de l'anneau de pression.
Les anneaux d'étanchéité sont toujours, c'est à dire à l'arrêt et dans tous les états de fonctionnement, agencés avec un interstice radial d'une dimension définie de façon que des contacts avec l'arbre sont pratiquement exclus sur la totalité de la plage de fonctionnement. Les anneaux d'étanchéité produisent une étanchéité secondaire optimale de l'évidement dans le
carter, par rapport aux deux chambres de pression.
Simultanément ils agissent en tant qu'amortisseur à friction, par l'intermédiaire de leurs surfaces terminales axiales, extérieures, par rapport à des surfaces de carter conjuguées. Conformément à l'invention, les anneaux de glissement, par le biais de l'inclinaison réciproque relative des surfaces de portée par rapport à l'anneau de pression d'une part et à un anneau d'étanchéité d'autre part, sont sollicités par une contrainte initiale, dans la direction centripète, de manière telle, qu'à l'arrêt, ils s'appuient par leurs surfaces intérieures sur la périphérie de l'arbre de machine en
l'enserrant.
Par le choix de la force élastique de ressort et de l'inclinaison réciproque relative des surfaces de portée, il est possible de régler la composante de force centripète sur les anneaux de glissement, et la
composante de force axiale sur les anneaux d'étanchéité.
En principe, les forces de friction apparaissant sur les surfaces de portée réciproques, similaires à des surfaces coniques, empêchent les anneaux de glissement d'être entraînés en rotation. De légers mouvements dans
la direction périphérique sont toutefois possibles.
Selon une caractéristique de l'invention, les anneaux d'étanchéité réalisés en étant fermés en soi sur la périphérie de l'arbre de machine, sont conçus et disposés en formant toujours un interstice radial sans
contact, pour l'étanchéité primaire.
Conformément à une configuration avantageuse de l'invention, les anneaux de glissement sont disposés à distance axiale l'un de l'autre, une chambre annulaire étant délimitée entre des tronçons des anneaux de glissement, de l'anneau de pression et de l'arbre, cette chambre annulaire étant alimentée par le fluide de barrage, et étant en liaison, par l'intermédiaire de l'anneau de pression, avec l'évidement, pour l'étanchéité secondaire. Le fluide de barrage peut être amené à l'évidement, par l'intermédiaire d'au moins un alésage radial extérieur, ménagé dans le carter de garniture d'étanchéité, et par l'intermédiaire de l'anneau de pression, à la chambre annulaire, ou bien le fluide de barrage est amené à partir de l'arbre cylindrique creux de la machine, dont la chambre intérieure est en liaison fluidique avec la chambre annulaire, par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs
ouvertures dans l'enveloppe de l'arbre.
Des déports extrêmes du rotor ou de l'arbre dans la direction radiale, sont susceptibles d'être maîtrisés et sont transmis par les anneaux de glissement et l'anneau de pression à des moyens élastiques, tels une tôle élastique à ressorts, pour être amortis de manière optimale. Selon une configuration avantageuse de l'invention, l'anneau de pression est appuyé radialement de manière élastique sur le fond de l'évidement à symétrie de révolution, par l'intermédiaire d'une tôle
élastique à ressorts ondulée le long de la périphérie.
Selon un mode de construction, la tôle élastique est maintenue dans un creux périphérique de l'anneau de pression, le creux étant ouvert en regard du fond de l'évidement. Par ailleurs, la tôle élastique comporte au moins une ouverture pour le passage du fluide de barrage, qui, de part et d'autre, communique avec des rainures périphériques ouvertes en regard de la tôle élastique, et dont la première, sur le fond de l'évidement, est en liaison avec l'alésage radial extérieur, et dont l'autre, sur le fond du creux de l'anneau de pression, est en liaison avec la chambre annulaire par l'intermédiaire d'au moins une ouverture radiale dans l'anneau de pression, la première rainure périphérique étant, en outre, en liaison, par des chambres intermédiaires périphériques, résiduelles, entre la tôle élastique et le fond de l'évidement, résultant de l'état ondulé élastique, avec d'autres chambres annulaires formées à l'intérieur de l'évidement, entre un anneau d'étanchéité et un anneau de glissement respectifs et des tronçons de l'anneau de pression. Conformément à une caractéristique de l'invention, l'anneau de pression comporte, au fond du creux pour la tôle élastique, une rainure périphérique, qui est ouverte en regard de la tôle élastique, et qui est en liaison avec la chambre annulaire par l'intermédiaire d'au moins une ouverture radiale ménagée dans l'anneau de pression, cette rainure périphérique étant en liaison, par des chambres intermédiaires périphériques, résiduelles, entre la tôle élastique et l'anneau de pression, résultant de l'état ondulé élastique, avec d'autres chambres annulaires formées à l'intérieur de l'évidement, entre un anneau d'étanchéité et un anneau de glissement respectifs et des tronçons de
l'anneau de pression.
Selon un mode de construction conforme à l'invention, l'anneau de pression présente des tronçons périphériques extérieurs, parallèles à l'axe et en forme de coupelle, qui sur le côté éloigné du fond de l'évidement, s'étendent chacun tout d'abord à distance radiale en regard d'un anneau d'étanchéité et de glissement, et au niveau desquels l'anneau de pression se raccorde ensuite à une protubérance s'étendant tout le long de la périphérie et se rétrécissant des deux côtés en forme de coin, de manière symétrique, en direction de la périphérie de l'arbre, en formant les surfaces de portée. L'évidement est, quant à lui, formé par deux pièces de carter axialement amovibles, concentriques, pouvant être fixées axialement et
radialement l'une à l'autre.
Selon une configuration de l'invention, la garniture d'étanchéité est actionnée par la pression différentielle entre la pression régnant dans la chambre devant et la pression dans la chambre derrière la garniture d'étanchéité, et dans la chambre annulaire formée entre des tronçons de l'arbre, des anneaux de glissement et de l'anneau de pression, règne une pression, qui est inférieure à la pression régnant dans la première chambre en amont de la garniture d'étanchéité, et supérieure à la pression régnant dans l'autre chambre en aval de la garniture d'étanchéité, le fluide de barrage ou d'étanchéité pour l'étanchéité primaire et secondaire, étant approvisionné de la
première chambre de pression la plus élevée.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les anneaux de glissement et/ou les anneaux d'étanchéité sont fabriqués en un matériau céramique à bonne tenue aux températures élevées et à résistance élevée à l'usure. Par ailleurs, la surface de l'arbre de machine, tout au moins dans des zones des anneaux de glissement disposés sur l'arbre, est pourvue d'un revêtement céramique à résistance élevée à l'usure et à bonne tenue aux températures élevées. Selon une caractéristique de l'invention, le matériau céramique est choisi parmi l'un
des groupes d'oxydes, de carbures ou de nitrures.
Conformément à un autre mode de réalisation, la surface de l'arbre de machine, tout au moins dans des zones des anneaux de glissement disposés sur l'arbre, peut également être pourvue d'un revêtement métallique à résistance élevée à l'usure et/ou à bonne tenue aux
températures élevées.
Par ailleurs, les anneaux d'étanchéité et de glissement sont fabriqués en une matière plastique renforcée de fibres de verre et/ou de fibres de carbone, et pour chaque anneau, une âme d'anneau est renforcée par des fibres s'étendant dans la direction périphérique de l'anneau considéré, et est stabilisée au moins partiellement au niveau de surfaces extérieures, par des couches de fibres croisées, pour présenter une
résistance élevée à l'usure.
Finalement, selon une autre caractéristique de l'invention, la tôle élastique est divisée en un endroit
de la périphérie.
La garniture d'étanchéité à anneau de glissement peut être utilisée pour les deux sens de rotation. Elle peut être utilisée en tant qu'étanchéité aux liquides ou aux gaz, et est, par ailleurs, d'un montage et d'un démontage aisé, en présentant un mode de construction relativement simple. Il est possible d'atteindre une qualité d'étanchéité optimale, notamment dans le cas de diamètres d'arbre importants. Dans le cas de vitesses de rotation élevées, il est ainsi possible de maîtriser des vitesses de glissement élevées
correspondantes, à la manière d'un palier à air.
Notamment en ce qui concerne une amenée de fluide de barrage radialement extérieure par l'intermédiaire du carter, tel que cela a déjà été évoqué, ou d'une amenée de fluide de barrage radialement intérieure, par l'intermédiaire de l'arbre de machine, également déjà mentionnée, la garniture d'étanchéité à anneau de glissement est particulièrement bien adaptée à réaliser l'étanchéité de chambres de pression renfermant de l'huile ou un brouillard d'huile (chambres de paliers), par rapport à des chambres à la pression atmosphérique ou alimentées par de l'air de compresseur ou par des gaz d'échappement. Mais la garniture d'étanchéité à anneau de glissement peut toutefois également, à des fins d'étanchéité citées à titre d'exemple, être réalisée en tant que garniture
d'étanchéité exclusivement à pression différentielle.
L'invention est explicitée plus en détail au regard de deux exemples de réalisation représentés sur les dessins annexés, qui montrent: Fig. 1 une coupe longitudinale centrale de la garniture d'étanchéité à anneau de glissement, sur un tronçon d'arbre de machine associé, montrant, côté stator, un carter interrompu vers l'extérieur, et un tronçon d'arbre interrompu dans la direction périphérique, la garniture présentant une alimentation en fluide de barrage par l'intermédiaire du carter, Fig. 2 une vue de la garniture d'étanchéité à anneau de glissement, selon la ligne de coupe II-II de la figure 1, interrompue dans la direction périphérique, avec le carter et l'arbre de machine associé, Fig. 3 une coupe longitudinale centrale de la garniture d'étanchéité à anneau de glissement, sur un tronçon d'arbre de machine associé, conforme à la représentation de la figure 1, montrant ici toutefois une alimentation en fluide de barrage par l'intermédiaire de l'arbre de machine, et Fig. 4 une vue de la garniture d'étanchéité à anneau de glissement, selon la ligne de coupe IV-IV de la figure 3, interrompue dans la direction périphérique, avec le carter et l'arbre de
machine associé.
Les figures 1 et 2 ainsi que 3 et 4 représentent respectivement une garniture d'étanchéité à anneau de glissement pour turbomachines, notamment des propulseurs à turbines à gaz, destinée à réaliser une étanchéité optimale de chambres de pression Ri, R2 soumises à des pressions de fluides différentes, entre un stator de machine comprenant le carter 10 et un arbre
de machine 8.
Le carter 10 sur le stator de machine forme un évidement 1, qui est ouvert en regard de l'arbre de machine 8, et est destiné à recevoir un anneau de pression 2 appuyé radialement de manière élastique dans l'évidement sur la périphérie de celui-ci, et des anneaux de glissement et d'étanchéité 4, 5 et 6, 7. Les anneaux de glissement et d'étanchéité 4, 5 et 6, 7 forment à la périphérie de l'arbre, un joint d'étanchéité primaire alimenté par un fluide de barrage F amené de l'extérieur. Ce joint d'étanchéité primaire est constitué aux endroits b, d'interstices périphériques radiaux des anneaux d'étanchéité 6, 7; ces interstices périphériques radiaux sont dimensionnés de manière à présenter une taille juste suffisante pour éviter dans tous les cas un contact avec l'arbre. Aux endroits c, les anneaux de glissement 4, 5 forment essentiellement l'étanchéité primaire au niveau de l'arbre, de manière telle, que relativement vite après la phase de démarrage de la machine, il se forme déjà des interstices porteurs, radiaux, alimentés par le fluide de barrage F amené de l'extérieur. Par l'intermédiaire de surfaces de portée de type conique se correspondant l'une à l'autre, les anneaux de glissement 4, 5 s'appuient, d'un côté sur l'anneau de pression 2,
et de l'autre côté sur les anneaux d'étanchéité 6, 7.
L'inclinaison relative réciproque des surfaces de portée est matérialisée par les angles a et B. Cela signifie entre autres que les deux anneaux de glissement 4, 5, relativement à leurs surfaces intérieures cylindriques sur la périphérie de l'arbre, ont des formes semblables sur leurs deux côtés, leurs surfaces de portée se rétrécissant en direction du fond de l'évidement 1, à la manière de coins ou de cônes. A partir de composantes de forces dirigées axialement vers l'extérieur, les anneaux d'étanchéité 6, 7 réalisent l'étanchéité secondaire de l'évidement 1 du carter 10 à l'encontre des deux
chambres R1 et R2.
A cet effet, les anneaux d'étanchéité 6, 7 sont guidés, axialement à l'extérieur, sur des surfaces radiales conjuguées e, f de l'évidement 1, de manière étanche mais mobile, et avec un amortissement de friction. L'anneau de pression 2 et les deux anneaux de glissement 4, 5 sont divisés, chacun en au moins un endroit X et Y de la périphérie (figures 2 et 4). Ces divisions peuvent être réalisées par des fentes parallèles à l'axe, décalées les unes par rapport aux
autres sur la périphérie.
Par le biais de l'inclinaison réciproque relative a et 1 des surfaces de portée par rapport à l'anneau de pression 2 d'une part et à un anneau d'étanchéité 6 et 7 d'autre part, les anneaux de glissement 4, 5 sont sollicités par une contrainte initiale dans la direction centripète, de manière telle, qu'à l'arrêt, ils s'appuient par leurs surfaces
intérieures sur la périphérie de l'arbre de machine 8.
Par ailleurs, comme le laissent entrevoir les figures 1 et 3, les anneaux de glissement 4, 5 sont disposés à distance axiale l'un de l'autre, une chambre annulaire 9 étant délimitée entre des tronçons des anneaux de glissement 4, 5, de l'anneau de pression 2 et de l'arbre 8, cette chambre annulaire étant alimentée par le fluide de barrage F amené de l'extérieur, et étant en liaison, par l'intermédiaire de l'anneau de pression 2, avec l'évidement 1, pour l'étanchéité
secondaire.
Conformément aux figures 1 et 2, dans la garniture d'étanchéité à anneau de glissement, le fluide de barrage F est amené, par l'intermédiaire d'au moins un alésage radial extérieur 11, ménagé dans le carter de garniture d'étanchéité 10, à l'évidement 1, et par l'intermédiaire de l'anneau de pression 2 à la chambre
annulaire 9.
Conformément aux figures 3 et 4, dans la garniture d'étanchéité à anneau de glissement, le fluide de barrage F est amené à partir de l'arbre 8 cylindrique creux de la machine, dont la chambre intérieure 8' est en liaison fluidique avec la chambre annulaire 9, par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs ouvertures 12 dans
l'enveloppe de l'arbre.
Dans les deux exemples de réalisation (figures 1, 2 et figures 3, 4), la garniture d'étanchéité à anneau de glissement est caractérisée en ce que l'anneau de pression 2 est supporté radialement de manière élastique sur le fond de l'évidement 1 à symétrie de révolution du carter 10, par l'intermédiaire d'une tôle élastique à ressorts 3 ondulée en continu et régulièrement le long de la périphérie. Une distance radiale, variable selon l'état de fonctionnement, entre l'anneau de pression 2 et le fond de l'évidement 1 est
désignée par le repère a sur les figures 1 et 3.
Conformément à ces figures 1 et 3, la tôle élastique 3 peut être maintenue dans un creux périphérique de l'anneau de pression 2, ce creux étant ouvert en regard du fond de l'évidement 1. La tôle élastique 3 est ainsi arrêté à l'encontre d'un coulissement axial non admissible. Dans la garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon les figures 1 et 2, la tôle élastique 3 comporte au moins une ouverture 13 pour le passage du fluide de barrage F amené par l'intermédiaire de l'alésage radial extérieur 11; l'ouverture 13 communique de part et d'autre avec des rainures périphériques 14, ouvertes en regard de la tôle élastique 3; à la place de l'ouverture 13, ou en plus de celle-ci, la tôle élastique 3 peut être divisé en un endroit Z de la périphérie (figure 2), par une fente parallèle à l'axe, qui se trouve en liaison fluidique avec les deux rainures périphériques 14, 15; la première rainure périphérique 14 usinée dans le fond de l'évidement 1, est en liaison avec l'alésage radial extérieur 11; l'autre rainure périphérique 15 usinée dans le fond du creux de l'anneau de pression 2, est en liaison avec la chambre annulaire 9, par l'intermédiaire d'au moins une ouverture radiale 16 dans l'anneau de pression 2; par l'intermédiaire de la première rainure périphérique radialement extérieure 14, une partie du fluide de barrage parvient, par des chambres intermédiaires périphériques, résiduelles, entre la tôle élastique 3 et le fond de l'évidement, résultant de l'état ondulé élastique, dans des chambres annulaires formées à l'intérieur de l'évidement 1, entre un anneau d'étanchéité et un anneau de glissement respectifs 6, 4 et 7, 5 et des tronçons de l'anneau de pression 2. A l'aide de l'alimentation en fluide de barrage indiquée, les anneaux de glissement 4, 5 sont soumis par l'intermédiaire de l'anneau de pression 2, aux composantes radiales des forces de fermeture émanant de la sollicitation en pression (fluide de barrage) et de
la suspension élastique.
Dans le cas de l'exemple de réalisation selon les figures 3 et 4, l'anneau de pression 2 comporte une rainure périphérique 15, qui est usinée au fond du creux pour la tôle élastique, qui est ouverte en regard de la tôle élastique 3, et qui est en liaison avec la chambre annulaire 9 par l'intermédiaire d'au moins une ouverture radiale 16 ménagée dans l'anneau de pression 2, cette rainure périphérique 15 étant en liaison, par les chambres intermédiaires périphériques, résiduelles, ménagées entre la tôle élastique 3 et l'anneau de pression 2, et résultant de l'état ondulé élastique, avec d'autres chambres annulaires formées à l'intérieur de l'évidement 1, entre un anneau d'étanchéité et un anneau de glissement respectifs 6, 4 et 7, 5 et des
tronçons de l'anneau de pression 2.
Par ailleurs, dans la suite seront indiquées les caractéristiques suivantes s'appliquant aux deux
exemples de réalisation selon les figures 1, 2 et 3, 4.
L'anneau de pression 2 présente des tronçons périphériques extérieurs, parallèles à l'axe et en forme de coupelle, qui sur le côté éloigné du fond de l'évidement 1, s'étendent chacun tout d'abord à distance radiale en regard d'un anneau d'étanchéité et de glissement 6, 4 et 7, 5, et au niveau desquels l'anneau de pression se raccorde ensuite à une protubérance 17 (figures 1 et 3) s'étendant tout le long de la périphérie et se rétrécissant des deux côtés en forme de coin ou à la façon d'un cône, de manière symétrique, en direction de la périphérie de l'arbre, en formant les
surfaces de portée.
La garniture d'étanchéité à anneau de glissement est d'un montage et d'un entretien aisés, par le fait que l'évidement 1 est formé par deux pièces de carter 18, 19 axialement amovibles, concentriques, pouvant être fixées axialement et radialement l'une à l'autre. La fixation peut s'effectuer à l'aide de liaisons à vis réparties de manière régulière le long de la périphérie. Les garnitures d'étanchéité à anneau de glissement représentées sur les figures 1 à 4, fonctionnent selon la relation de pression suivante: pression P1 dans la chambre Ri > à la pression P2 dans la chambre R2, la pression P3 (fluide de barrage) dans
la chambre annulaire 9 étant > Pl et >P2.
Mais la garniture d'étanchéité à anneau de glissement peut également fonctionner sans l'alimentation en fluide de barrage optionnelle, représentée sous forme d'alimentation radialement extérieure (figures 1 et 2) ou sous forme d'alimentation radialement intérieure (figures 3 et 4). Elle peut donc être actionnée par la pression différentielle entre la pression régnant dans la chambre R1 devant et la pression dans chambre R2 derrière la garniture d'étanchéité, selon la relation P1 > P2, et dans la chambre annulaire 9 formée entre des tronçons de l'arbre, des anneaux de glissement 4, 5 et de l'anneau de pression 2, règne une pression P3, qui est inférieure à la pression P1 régnant dans la première chambre Ri en amont de la garniture d'étanchéité, et supérieure à la pression P2 régnant dans l'autre chambre R2 en aval de la garniture d'étanchéité; dans ce cas, le fluide de barrage ou d'étanchéité pour l'étanchéité primaire et secondaire, est approvisionné de la première chambre R1 de pression P1 laplus élevée. Mais la garniture d'étanchéité à anneau de glissement peut également fonctionner selon la relation relative de pression inverse, à savoir P2 dans R2 > P1 dans Ri, P3 dans la
chambre annulaire 9 étant < P2 et > Pi.
Pour l'utilisation dans une turbine ou à proximité d'une turbine, c'est à dire dans des régions fortement sollicitées en température et soumises à des rayonnements de chaleur élevés, les anneaux de glissement 4, 5 et/ou les anneaux d'étanchéité 6, 7 peuvent être fabriqués en un matériau céramique à bonne tenue aux températures élevées et à résistance élevée à
l'usure.
Par ailleurs, la garniture d'étanchéité à anneau de glissement peut être d'une configuration telle, que la surface de l'arbre de machine 8, notamment dans des zones des anneaux de glissement 4, 5 disposés sur l'arbre, soit pourvue d'un revêtement céramique à résistance élevée à l'usure et à bonne tenue aux
températures élevées.
Les anneaux ou les revêtements précédemment cités, peuvent être réalisés en un matériau céramique choisi parmi l'un des groupes des oxydes, des carbures ou des nitrures. En ce qui concerne les matériaux considérés, il peut s'agir, par exemple, d'oxyde de zirconium, ou de carbure de silicium, ou bien encore de
nitrure de silicium.
Selon un développement de l'invention, la surface de l'arbre de machine 8, tout au moins dans des zones des anneaux de glissement 4, 5 disposés sur l'arbre, peut être pourvue d'un revêtement métallique à résistance élevée à l'usure et/ou à bonne tenue aux températures élevées. En guise de matériau, il est par exemple possible d'utiliser du chrome ou d'autres alliages, par exemple à base de Ni ou de Co. Pour des domaines d'utilisation à basses temperatures, par exemple dans ou à proximité de compresseurs pour des propulseurs à turbine à gaz, les anneaux d'étanchéité et de glissement 6, 7 et 4, 5 peuvent être fabriqués en une matière plastique renforcée de fibres de verre et/ou de fibres de carbone, et dans ce cas, pour chaque anneau, une âme d'anneau est renforcée par des fibres s'étendant dans la direction périphérique de l'anneau considéré, et est stabilisée au niveau de toutes les surfaces extérieures ou d'une partie de celles-ci, par des couches de fibres croisées, pour présenter une
résistance élevée à l'usure.
Claims (19)
1. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement pour turbomachines, notamment des propulseurs à turbine à gaz, pour réaliser l'étanchéité entre deux chambres (Rl, R2) soumises à des pressions de fluides différentes, entre un stator de machine et un arbre de machine (8), caractérisée - en ce que le stator de machine présente un évidement (1), qui est ouvert en regard de l'arbre de machine (8), et qui est destiné à recevoir un anneau de pression (2) appuyé radialement de manière élastique dans l'évidement sur la périphérie de celui-ci, et des anneaux de glissement et d'étanchéité (4, 5; 6, 7), - en ce que les anneaux de glissement (4, 5) forment sur la périphérie de l'arbre, un joint d'étanchéité dynamique à interstice alimenté en fluide de barrage, - en ce que par l'intermédiaire de surfaces de portée de type conique se correspondant l'une à l'autre, les anneaux de glissement (4, 5) s'appuient, d'un côté sur l'anneau de pression (2), et de l'autre côté sur les anneaux d'étanchéité (6, 7), en repoussant ainsi les anneaux d'étanchéité (6, 7) contre des surfaces radiales de l'évidement (1), - et en ce que l'anneau de pression (2) et les anneaux de glissement (4, 5) sont divisés chacun en un endroit
(X; Y) de la périphérie.
2. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les anneaux de glissement (4, 5), par le biais de l'inclinaison réciproque relative (a; f) des surfaces de portée par rapport à l'anneau de pression (2) d'une part et à un anneau d'étanchéité (6; 7) d'autre part, sont sollicités par une contrainte initiale dans la direction centripète de manière telle, qu'à l'arrêt, ils s'appuient par leurs surfaces intérieures sur la
périphérie de l'arbre (8) de la machine.
3. Garniture d'étanchéité à anneau de
glissement selon les revendications 1 ou 2, caractérisée
en ce que les anneaux d'étanchéité (6, 7) réalisés en étant fermés en soi sur la périphérie de l'arbre (8) de la machine, sont conçus et disposés en formant toujours un interstice radial (b) sans contact, pour l'étanchéité primaire.
4. Garniture d'étanchéité à anneau de
glissement selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisée en ce que les anneaux de glissement (4, 5) sont disposés à distance axiale l'un de l'autre, une chambre annulaire (9) étant délimitée entre des tronçons des anneaux de glissement (4, 5), de l'anneau de pression (2) et de l'arbre (8), cette chambre annulaire étant alimentée par le fluide de barrage, et étant en liaison, par l'intermédiaire de l'anneau de pression
(2), avec l'évidement (1), pour l'étanchéité secondaire.
5. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon la revendication 4, caractérisée en ce que le fluide de barrage est amené, par l'intermédiaire d'au moins un alésage radial extérieur (11), ménagé dans le carter (10) de garniture d'étanchéité, à l'évidement (1), et par l'intermédiaire de l'anneau de pression (2)
à la chambre annulaire (9).
6. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon la revendication 4, caractérisée en ce que le fluide de barrage est amené à partir de l'arbre (8) cylindrique creux de la machine, dont la chambre intérieure (8') est en liaison fluidique avec la chambre annulaire (9), par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs
ouvertures (12) dans l'enveloppe de l'arbre.
7. Garniture d'étanchéité à anneau de
glissement selon l'une des revendications 1 à 6,
caractérisée en ce que l'anneau de pression (2) est appuyé radialement de manière élastique sur le fond de l'évidement (1) à symétrie de révolution, par l'intermédiaire d'une tôle élastique à ressorts (3)
ondulée le long de la périphérie.
8. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon la revendication 7, caractérisée en ce que la tôle élastique (3) est maintenue dans un creux périphérique de l'anneau de pression (2), ce creux étant
ouvert en regard du fond de l'évidement (1).
9. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon la revendication 5, caractérisée en ce que la tôle élastique (3) comporte au moins une ouverture (13) pour le passage du fluide de barrage, qui, de part et d'autre, communique avec des rainures périphériques (14, 15) ouvertes en regard de la tôle élastique (3), et dont la première, sur le fond de l'évidement (1), est en liaison avec l'alésage (11) radial extérieur, et dont l'autre, sur le fond du creux de l'anneau de pression (2), est en liaison avec la chambre annulaire (9) par l'intermédiaire d'au moins une ouverture radiale (16) dans l'anneau de pression (2), la première rainure périphérique (14) étant, en outre, en liaison, par des chambres intermédiaires périphériques, résiduelles, ménagées entre la tôle élastique (3) et le fond de l'évidement, et résultant de l'état ondulé élastique, avec d'autres chambres annulaires formées à l'intérieur de l'évidement (1), entre un anneau d'étanchéité et un anneau de glissement respectifs (6,
4; 7, 5) et des tronçons de l'anneau de pression (2).
10. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'anneau de pression (2) comporte, au fond du creux pour la tôle élastique (3), une rainure périphérique (15), qui est ouverte en regard de la tôle élastique (3), et qui est en liaison avec la chambre annulaire (9) par l'intermédiaire d'au moins une ouverture radiale (16) ménagée dans l'anneau de pression (2), cette rainure périphérique (15) étant en liaison, par des chambres intermédiaires périphériques, résiduelles, ménagées entre la tôle élastique (3) et l'anneau de pression (2), et résultant de l'état ondulé élastique, avec d'autres chambres annulaires formées à l'intérieur de l'évidement (1), entre un anneau d'étanchéité et un anneau de glissement respectifs (6, 4; 7, 5) et des
tronçons de l'anneau de pression (2).
11. Garniture d'étanchéité à anneau de
glissement selon l'une des revendications 1 à 10,
caractérisée en ce que l'anneau de pression (2) présente des tronçons périphériques extérieurs, parallèles à l'axe et en forme de coupelle, qui sur le côté éloigné du fond de l'évidement (1), s'étendent chacun tout d'abord à distance radiale en regard d'un anneau d'étanchéité et de glissement (6, 4; 7, 5), et au niveau desquels l'anneau de pression se raccorde ensuite à une protubérance (17) s'étendant tout le long de la périphérie et se rétrécissant des deux côtés en forme de coin, de manière symétrique, en direction de la périphérie de l'arbre, en formant les surfaces de portée.
12. Garniture d'étanchéité à anneau de
glissement selon l'une des revendications 1 à 11,
caractérisée en ce que l'évidement (1) est formé par deux pièces de carter (18, 19) axialement amovibles, concentriques, pouvant être fixées axialement et
radialement l'une à l'autre.
13. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon la revendication 1, caractérisée en ce o10 qu'elle est actionnée par la pression différentielle entre la pression régnant dans la chambre (Ri) devant, et la pression dans la chambre (R2) derrière la garniture d'étanchéité, et en ce que dans la chambre annulaire (9) formée entre des tronçons de l'arbre, des anneaux de glissement (4, 5) et de l'anneau de pression (2), règne une pression (P3), qui est inférieure à la pression (Pl) régnant dans la première chambre (R1) en amont de la garniture d'étanchéité, et supérieure à la pression (P2) régnant dans l'autre chambre (R2) en aval de la garniture d'étanchéité, le fluide de barrage ou d'étanchéité pour l'étanchéité primaire et secondaire, étant approvisionné de la première chambre (Ri) de
pression (Pi) la plus élevée.
14. Garniture d'étanchéité à anneau de
glissement selon l'une des revendications 1 à 13,
caractérisée en ce que les anneaux de glissement (4, 5) et/ou les anneaux d'étanchéité (6, 7) sont fabriqués en un matériau céramique à bonne tenue aux températures
élevées et à résistance élevée à l'usure.
15. Garniture d'étanchéité à anneau de
glissement selon l'une des revendications 1 à 14,
caractérisée en ce que la surface de l'arbre (8) de la machine, tout au moins dans des zones des anneaux de glissement (4, 5) disposés sur l'arbre, est pourvue d'un revêtement céramique à résistance élevée à l'usure et à
bonne tenue aux températures élevées.
16. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon la revendication 14 ou 15, caractérisée en ce que le matériau céramique est choisi parmi l'un
des groupes des oxydes, des carbures ou des nitrures.
17. Garniture d'étanchéité à anneau de
glissement selon l'une des revendications 1 à 13,
caractérisée en ce que la surface de l'arbre (8) de la machine, tout au moins dans des zones des anneaux de glissement (4, 5) disposés sur l'arbre, est pourvue d'un revêtement métallique à résistance élevée à l'usure
et/ou à bonne tenue aux températures élevées.
18. Garniture d'étanchéité à anneau de
glissement selon l'une des revendications 1 à 13 ou
selon la revendication 15 lorsqu'elle n'est pas rattachée à la revendication 14 ou selon la revendication 17, caractérisée en ce que les anneaux d'étanchéité et de glissement (6, 7; 4, 5) sont fabriqués en une matière plastique renforcée de fibres de verre et/ou de fibres de carbone, et pour chaque anneau, une âme d'anneau est renforcée par des fibres s'étendant dans la direction périphérique de l'anneau considéré, et est stabilisée au moins partiellement au niveau de surfaces extérieures par des couches de fibres croisées, pour présenter une résistance élevée à
l'usure.
19. Garniture d'étanchéité à anneau de glissement selon la revendication 7, caractérisée en ce que la tôle élastique (3) est divisée en un endroit (Z)
de la périphérie.
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