FR2765653A1 - Dispositif de confinement a gaz supportant temporairement une surpression elevee - Google Patents

Abstract

L'invention propose un dispositif de confinement à gaz entre deux éléments (4, 10) mobiles l'un par rapport à l'autre, l'un des éléments séparant un espace à protéger (2) d'un espace de confinement (3), ledit dispositif restant temporairement étanche à une surpression élevée. Un tel dispositif est remarquable en ce qu'il comporte un joint flexible (15) disposé de façon étanche sur un élément (4, 10) ainsi qu'une troisième surface d'étanchéité (12) disposée sur l'autre élément (10, 4), ledit joint flexible (15) étant de forme complémentaire à la troisième surface d'étanchéité (12) et formant avec elle un jeu réduit el, ledit dispositif comportant aussi une surface (19) exposée à la pression règnant dans l'espace de confinement (3), ledit joint flexible (15) venant appuyer sur ladite troisième surface d'étanchéité (12) en cas de surpression dans l'espace de confinement.

Description

DISPOSITIF DE CONFINEMENT A GAZ 8UPPORTANT TEMPORAIREMENT UNE
SURPRESSION ELEVEE
L'invention se rapporte aux dispositifs de confinement entre deux éléments mobiles l'un par rapport à l'autre utilisant une barrière de gaz sous pression, et plus particulièrement à un perfectionnement de tels dispositifs en vue de supporter temporairement une surpression élevée dans l'espace de confinement. L'invention se rapporte aussi à l'étanchéification de la transmission du mouvement entre la boite d'engrenage d'une turbomachine et la pompe hydraulique montée sur ladite boite d'engrenage.

Un dispositif de confinement à gaz permet sans contact mécanique d'assurer l'étanchéité entre une paroi et un arbre traversant ladite paroi, ces deux éléments étant mobiles l'un par rapport à l'autre, la paroi séparant un espace à protéger d'un espace de confinement, l'espace de confinement étant susceptible de contenir un fluide ne devant pas pénétrer dans l'espace à protéger. Ce dispositif se présente habituellement de la façon suivante - la paroi est traversée par un alésage cylindrique par lequel passe l'arbre, - l'arbre comporte à sa périphérie une surface d'étanchéité cylindrique en regard de l'alésage et formant avec lui un jeu limité, - un gaz sous pression P1 est amené dans la partie médiane de l'alésage, et il s'évacue de chaque côté par le jeu laissé entre l'arbre et l'alésage.

Le gaz sous pression P1 repousse ainsi tout corps étranger qui autrement serait susceptible de traverser la paroi entre l'arbre et l'alésage.

Ce dispositif de confinement ne comporte pas de contact mécanique entre l'arbre et l'alésage, et il présente en conséquence sur les joints d'étanchéité classiques l'avantage de ne pas dissiper de chaleur par frottement, ainsi que celui d'être inusable et d'une fiabilité élevée.

Ce dispositif présente cependant l'inconvénient de devenir inopérant lorsque la pression P2 du fluide à confiner devient supérieure à la pression P1 du gaz, car le fluide n'étant plus repoussé par la pression P1 du gaz peut alors s'écouler vers l'autre côté de la paroi entre l'arbre et l'alésage.

Le problème est donc de maintenir l'efficacité d'un tel dispositif de confinement en cas de surpression P2 du fluide à confiner, et d'en conserver les avantages précités en fonctionnement normal.

Ce problème se pose en particulier dans le cas des turbomachines telles les turbomoteurs pour aéronefs. Cellesci comportent en effet une "boite d'engrenages" entraînée par le rotor de la turbomachine, ladite "boite d'engrenages" transmettant le mouvement à différents équipements de la turbomachine. En particulier, la "boite d'engrenages" transmet le mouvement à une pompe hydraulique alimentant les circuits hydrauliques de commande de la turbomachine, ladite pompe hydraulique étant fixée directement sur le carter de la "boite d'engrenages", le mouvement étant transmis par un arbre en rotation traversant le carter, cet arbre ayant un diamètre de l'ordre de 50 mm et pouvant atteindre une vitesse de rotation de 5000 tours par minute.

L'arbre est étanché par rapport au carter avec un dispositif de confinement à gaz tel que décrit précédemment, ce dispositif permettant de confiner simultanément le lubrifiant dans la "boite d'engrenages" et le fluide hydraulique dans la pompe hydraulique. Ce dispositif est préféré à un joint classique ou à un "joint carbone" car - il ne provoque pas d'échauffement par frottement, - il n'exige pas d'opération de contrôle ou de maintenance qui nécessiterait le démontage de la pompe pour accéder au joint.

Cette technique présente cependant un inconvénient. En cas de colmatage accidentel du conduit d'évacuation du fluide hydraulique, la pression P2 à l'intérieur de la pompe peut monter à une valeur de l'ordre de 25 bars bien supérieure à la pression P1 du gaz, et le fluide hydraulique fuit alors dans la "boite d'engrenages" et provoque la corrosion de ses organes, notamment des engrenages qu'elle renferme.

Le problème est d'empêcher pendant 30 heures environ la fuite de fluide hydraulique à l'intérieur de la boite d'engrenages en cas de surpression P2 dans la pompe hydraulique, sans réduire en fonctionnement normal la fiabilité du dispositif de confinement.

Pour résoudre ce problème, l'invention propose un dispositif de confinement supportant temporairement une surpression qui peut être élevée, ce dispositif agissant entre deux éléments mobiles l'un par rapport à l'autre, le premier élément étant une paroi séparant un espace à protéger d'un espace de confinement susceptible de contenir un fluide à confiner, le second élément étant un arbre traversant ladite paroi, ce dispositif comportant a) Une première surface d'étanchéité disposée dans la paroi et une seconde surface d'étanchéité disposée sur l'arbre, lesdites surfaces d'étanchéité étant en regard l'une de l'autre et formant entre elles un jeu e réduit, b) au moins un conduit d'amenée de gaz sous pression débouchant dans la partie médiane de l'une des deux surfaces d' étanchéité.

Un tel dispositif est remarquable en ce qu'il comporte c) une troisième surface d'étanchéité sur l'un des éléments, soit la paroi ou l'arbre, d) un joint flexible annulaire disposé sur l'autre élément, soit l'arbre ou la paroi, ce joint flexible étant de forme complémentaire à la troisième surface d'étanchéité et formant avec elle un jeu el réduit, afin de provoquer une perte de charge du fluide à confiner entre le joint flexible et la troisième surface d'étanchéité , ce joint flexible comportant lui-même une surface exposée à la pression règnant dans l'espace de confinement, et en ce que e) le joint flexible vient appuyer hermétiquement sur la troisième surface d'étanchéité sous l'effet d'une surpression survenant dans l'espace de confinement, afin d'étancher par contact mécanique dans le dispositif de confinement les éléments mobiles l'un par rapport à l'autre lorsque l'espace de confinement est en supression, et de maintenir le dispositif de confinement sans contact mécanique entre les éléments mobiles l'un par rapport à l'autre lorsque l'espace de confinement n'est pas en surpression.

On comprend que la combinaison de la surface du joint flexible exposée à la pression règnant dans l'espace de confinement avec la perte de charge entre le joint flexible et la troisième surface d'étanchéité permet au joint flexible de venir appuyer sur ladite troisième surface d'étanchéité sous l'effet d'une surpression survenant dans l'espace de confinement. Le joint flexible associé à la troisième surface d'étanchéité fait alors obstacle à l'écoulement vers l'espace à protéger du fluide à confiner.

On comprend aussi que ce dispositif ne crée pas en fonctionnement normal de frottement sur l'arbre ou sur la paroi. Il n'y a donc pas d'usure et donc pas d'opération de maintenance à prévoir, tant que le fonctionnement reste normal.

Un tel dispositif de confinement est avantageux dans le cas d'une machine où la surpression résulte d'un accident, par exemple suite à un colmatage d'un conduit de circulation du fluide de l'espace de confinement. En effet, l'usure du dispositif n'apparait qu'en fonctionnement anormal de la machine, celle-ci devant alors faire l'objet d'une opération de maintenance au cours de laquelle on pourra contrôler, voire réparer, le dispositif de confinement objet de l'invention.

On remarquera aussi que le présent dispositif ne provoque jamais de frottement générateur d'usure tant que le fonctionnement de la machine reste normal, que ce soit au démarrage, en exploitation ou à l'arrêt. Il est donc bien adapté aux machines devant présenter une fiabilité élevée et subissant des cycles répétés démarrage-exploitation-arrêt comme c'est fréquemment le cas pour les turbomoteurs d'aéronefs.

On disposera de préférence le joint flexible et la troisième surface d'étanchéité avec laquelle il coopère entre les deux premières surfaces d'étanchéité et l'espace de confinement.

Cette disposition permet de simplifier l'amenée de la pression Pl régnant dans l'espace de confinement sur la surface du joint flexible qui doit être exposée. Cette disposition permet aussi, en cas de surpression, d'empêcher le fluide de l'espace de confinement de passer entre les deux premières surfaces d'étanchéité où il risquerait de pénétrer dans le conduit d'amenée de gaz sous pression.

Enfin, cette disposition permet d'assouplir le joint flexible qui viendra plus rapidement appuyer sur la troisième surface d'étanchéité dès que la pression P2 régnant dans l'espace de confinement dépassera la pression Pl du gaz, d'une façon sensiblement indépendante des variations de Pl. En effet, le gaz sous pression Pl passe entre le joint flexible et la troisième surface d'étanchéité avant d'arriver sur la surface du joint flexible exposée à la pression P2 règnant dans l'espace de confinement. Le gaz sous pression Pl a donc sur le joint flexible un effet antagoniste à celui de la pression
P2 règnant dans l'espace de confinement. Tant que P2 reste inférieur à Pl, le joint flexible reste naturellement ouvert.

Dès que P2 devient supérieur à Pl, le joint flexible viendra appuyer sur la troisième surface d'étanchéité, et cela d'autant plus rapidement que le joint est souple, ce qui minimise les fuites de fluide pendant la période transitoire de passage du joint flexible de la position ouverte à la position fermée.

Habituellement, l'un des éléments est fixe et l'autre mobile.

Avantageusement, on disposera le joint flexible sur l'élément qui est fixe afin de ne pas générer de forces d'inerties dans le joint flexible, ce qui permet de provoquer l'appui du joint flexible sur la troisième surface d'étanchéité avec une surpression P2 qui ne dépend pas de la vitesse de déplacement de l'élément mobile.

Cette disposition permet aussi d'abaisser le jeu el entre le joint flexible et la troisième surface d'étanchéité au niveau du jeu de guidage de l'élément mobile par rapport à l'élément fixe, ce jeu étant habituellement celui des paliers lisses ou à roulement guidant l'élément mobile, augmenté du cumul des tolérances de la chaine de cotes entre les moyens de guidage de l'élément mobile et le dispositif de confinement.

Ceci permet de réduire d'éventuelles fuites de fluide pendant le temps de la montée en surpression, avant que le joint flexible ne vienne appuyer sur la troisième surface d'étanchéité.

Dans une première forme de réalisation de l'invention, la troisième surface d'étanchéité est radiale et tournée vers l'espace de confinement, alors que le joint flexible comporte une rondelle dont une face est en regard de la troisième surface d'étanchéité et forme avec elle le jeu el alors que sa face opposée est exposée à la pression, ladite rondelle étant montée élastiquement sur l'élément la supportant et étant susceptible d'un déplacement axial. Ainsi, la surpression de l'espace de confinement exerce une poussée sur la rondelle qui se déplace en translation parallèlement à l'axe géométrique de l'arbre et vient s'appuyer sur la troisième surface d'étanchéité. Avantageusement, la rondelle sera en carbone, afin de ralentir l'usure du joint flexible et d'augmenter ainsi sa durée de vie en fonctionnement anormal.

Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la troisième surface d'étanchéité est cylindrique et le joint flexible est une bague élastique fendue coulissant en regard de ladite troisième surface d'étanchéité dans une gorge à ouverture radiale, cette bague flexible présentant une surface en regard de la troisième surface d'étanchéité de forme complémentaire et formant avec elle le jeu el, cette bague présentant une surface exposée à la pression dans l'espace de confinement et mis en communication avec l'espace de confinement.

Dans un mode préféré de réalisation, la troisième surface d'étanchéité est cylindrique et le joint flexible comporte un manchon élastique dont une surface est en regard de la troisième surface d'étanchéité et de forme complémentaire à elle, ce joint ayant une surface exposée à la pression règnant dans l'espace de confinement et opposée à la troisième surface d'étanchétié. Le manchon élastique sera avantageusement en élastomère. Cette dernière solution présente l'avantage d'être simple et peu coûteuse à réaliser.

L'invention sera mieux comprise et les avantages qu'elle procure apparaitront plus clairement au vu d'un exemple détaillé de réalisation et des figures annexées.

La figure 1 illustre la mise en oeuvre d'un joint flexible avec manchon élastique dans le cas habituel d'un arbre tournant.

La figure 2 illustre la mise en oeuvre d'une bague fendue.

La figure 3 illustre la mise en oeuvre d'un joint flexible avec une rondelle en translation.

Les jeux ont été augmentés pour la clarté des figures.

On se reportera en premier lieu à la figure 1. L'espace à protéger 2 et l'espace de confinement 3 sont séparés par une paroi 4 traversée de part en part par un alésage cylindrique 5 d'axe géométrique 6, l'alésage 5 comportant dans cet exemple à sa surface 5a, constituant la première surface d'étanchéité, des léchettes annulaires 7. Un flux d'air sous pression 8 est amené par un conduit 9 débouchant dans la partie médiane de la première surface d'étanchéité 5a par l'intermédiaire d'une rainure annulaire 9a.

Un arbre 10 tournant selon l'axe géométrique 6 traverse la paroi 4 par l'alésage 5 et comporte à sa périphérie une surface 11 cylindrique au regard de la surface 5a de l'alésage 5, et constituant la seconde surface d'étanchéité, ladite seconde surface d'étanchéité 11 faisant avec ladite première surface d'étanchéité et plus précisément avec les léchettes 7 un jeu e réduit. A la sortie de la rainure annulaire 9a, le flux d'air 8 se divise en deux flux d'air 8a et 8b partant dans des directions opposées vers l'extérieur de l'alésage 5, par le jeu e laissé entre la première surface d'étanchéité 5a et la seconde surface d'étanchéité 11.

Un joint flexible annulaire à lèvre 15 comporte une embase 16 solidaire de la paroi 4 et étanche par rapport à ladite paroi 4 ainsi qu'un manchon élastique 17 tourné du côté de l'espace de confinement 3. Le manchon élastique 17 comporte une surface d'étanchéité intérieure 18 cylindrique et sensiblement dans l'alignement des léchettes 7, ainsi qu'une surface extérieure cylindrique 19 exposée à la pression P2 référencée 20 de l'espace de confinement 3. En regard de la surface d'étanchéité intérieure 18 du manchon élastique 17, la surface d'étanchéité 11 de l'arbre 10 se prolonge par une troisième surface d'étanchéité 12 formant avec le manchon élastique 17 un jeu el. Sous l'effet de la surpression 20, le manchon élastique 17 subit une contraction et vient appuyer sur la troisième surface d'étanchéité 12 de l'arbre 10.

Normalement, le jeu el est sensiblement égal au jeu e.

On se reportera maintenant à la figure 2. Le joint flexible 15 comporte un flasque 25 entourant l'arbre 10, ce flasque 25 étant disposé sur la paroi 4 du côté de l'espace de confinement 3. Le flasque 25 forme une rainure annulaire 26 en regard de la troisième surface d'étanchéité 12 de l'arbre 10, cette rainure annulaire 26 comportant deux faces latérales parallèles 26a et 26b perpendiculaires à l'axe géométrique 6, le fond de la rainure annulaire 26 étant mis en communication avec l'espace de confinement 3 par un conduit 27. Le joint flexible 15 comporte aussi une bague élastique fendue 28 disposée dans la rainure annulaire 26 et coulissant avec un jeu réduit par ses deux flancs 29a et 29b entre les parois 26a et 26b de ladite rainure annulaire 26.

La bague élastique fendue 28 a une surface d'étanchéité 18 intérieure en regard de la troisième surface d'étanchéité 12 de l'arbre 10 et formant avec elle le jeu el. La surface extérieure 19 de la bague élastique fendue 28 se trouve vers le fond de la rainure annulaire 26 et est exposée à la pression P2 20 règnant dans l'espace de confinement 3 par l'intermédiaire du conduit 27.

Ainsi, la surpression apparaissant dans l'espace de confinement 3 passe par le conduit 27 et exerce sur la surface extérieure exposée à la pression 19 de la bague fendue 28 une compression centripète qui plaque ladite bague fendue 28 par sa surface intérieure 18 contre la troisième surface d'étanchéité 12 sur l'arbre 10.

On se reportera maintenant à la figure 3. Dans cet exemple, la troisième surface d'étanchéité 12 est plane et perpendiculaire à l'axe géométrique 6. Elle est tournée vers l'espace de confinement 3. Le joint flexible 15 comporte comme dans l'exemple précédent un flasque 25 disposé contre la paroi 4 du côté de l'espace de confinement, ce flasque 25 formant avec ladite paroi une rainure annulaire 26 dont l'ouverture est tournée vers l'axe géométrique 6 et dont les faces latérales 26a et 26b sont planes et perpendiculaires audit axe géométrique 6. A l'intérieur de cette rainure 26 est disposée une rondelle 30 qui est perpendiculaire à l'axe géométrique 6 et qui coulisse parallèlement à cet axe géométrique 6. Le flanc 18 de ladite rondelle 30 constitue la surface d'étanchéité du joint flexible 15. Ce flanc 18 est situé en regard de la troisième surface d'étanchéité 12 et forme avec elle le jeu el.

Le second flanc 19 de la rondelle 30 est opposé à la troisième surface d'étanchéité 12 et est exposé à la pression
P2 référencée 20 règnant dans l'espace de confinement 3. Un élément élastique annulaire 31 est disposé entre la paroi 4 et la rondelle 30, cet élément élastique annulaire 31 repoussant la rondelle 30 contre la paroi latérale 26b de la rainure 26, ce qui permet de positionner de façon précise la rondelle 30 par rapport à la troisième surface d'étanchéité 12 et d'assurer avec précision le jeu el.

L'élément élastique 30 peut être par exemple un ressort hélicoïdal, un soufflet ou simplement un joint torique en élastomère précomprimé au montage, selon la forme particulière de la section de la rondelle 30.

En cas de surpression dans l'espace de confinement 3, une pression 20 s'exerce sur la face exposée à la pression 19 de la rondelle 30, ce qui comprime l'élément élastique 31 et vient appuyer la rondelle 30 par sa surface d'étanchéité 18 contre la troisième surface d'étanchéité 12.

Dans le présent exemple, la rondelle 30 se compose de deux pièces, soit un support 30a coulissant dans la rainure annulaire 26 et recevant la pression P2 20 par sa surface exposée à la pression 19, ainsi qu'une bague d'étanchéité 30b proprement dite tenue par le support coulissant 30a et assurant l'étanchéité en cas de surpression par sa surface d'étanchéité 18 coopérant avec la troisième surface d'étanchéité 12. La bague d'étanchéité 30b peut être réalisée en matériau spécifique, par exemple en céramique ou en carbone.

Claims (7)

REVENDICATION8

1. Dispositif de confinement à gaz supportant temporairement une surpression élevée, ledit dispositif agissant entre deux éléments (4, 10) mobiles l'un par rapport à l'autre, le premier élément étant une paroi (4), séparant un espace de confinement (3) d'un espace à protéger (2), le second élément étant un arbre (10) d'axe géométrique (6) et traversant ladite paroi (4) par un alésage (5), ledit dispositif comportant une première surface d'étanchéité (5a) constituant la paroi de l'alésage (5) ainsi qu'une seconde surface d'étanchéité (11) disposée sur l'arbre (4), la première et la seconde surface d'étanchéité (5a, 11) de forme complémentaire étant disposées en regard l'une de l'autre, et faisant entre elles un jeu e réduit, ledit dispositif comportant au moins un conduit d'amenée (9) de gaz sous pression (8), débouchant dans la partie médiane de l'une des deux surfaces d'étanchéité (5a, 11), caractérisé en ce qu'il comporte une troisième surface d'étanchéité (12) disposée sur l'un des éléments (4, 10) ainsi qu'un joint flexible annulaire (15) disposé sur l'autre élément (10, 4), ladite troisième surface d'étanchéité (12) et ledit joint flexible (15) étant en regard l'un de l'autre, étant de formes complémentaires et formant entre eux un jeu réduit el, en ce que le joint flexible (15) comporte une surface (19) exposée à la pression (20) règnant dans l'espace de confinement (3), et en ce que le joint flexible (15) vient appuyer hermétiquement sur la troisième surface d'étanchéité (12) sous l'effet d'une surpression (20) survenant dans l'espace de confinement (3), afin d'étancher par contact mécanique dans le dispositif de confinement les éléments (4, 10) mobiles l'un par rapport à l'autre lorsque l'espace de confinement (3) est en surpression, et de maintenir le dispositif de confinement sans contact mécanique entre les éléments (4, 10) mobiles l'un par rapport à l'autre lorsque l'espace de confinement (3) n'est pas en surpression.

2. Dispositif selon la revendication 1, l'un des éléments (4, 10) étant fixe, caractérisé en ce que le joint flexible (15) est disposé sur ledit élément (4, 10) fixe, afin de ne pas générer de force d'inertie sur ledit joint flexible (15).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le jeu el entre le joint flexible (15) et la troisième surface d'étanchéité (12) est celui du guidage de l'élément mobile (10, 4) par rapport à l'élément fixe (4, 10).

4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la troisième surface d'étanchéité (12) est perpendiculaire à l'axe géométrique (6) et tournée vers l'espace de confinement (3), et en ce que le joint flexible (15) comporte une rondelle (30) montée élastiquement sur la paroi (4), ladite rondelle (30) coulissant parallèlement à l'axe géométrique (6), ladite rondelle (30) comportant un flanc (18) en regard de la troisième surface d'étanchéité et formant avec elle le jeu el, ladite rondelle (30) comportant un flanc opposé (19) exposé à la pression (20) règnant dans l'espace de confinement (3).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la rondelle (30) est en carbone.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la troisième surface d'étanchéité (12) est cylindrique et en ce que le joint flexible (15) comporte une bague élastique fendue (28) coulissant dans une gorge (26) à ouverture radiale, ladite bague élastique fendue (28) présentant une surface d'étanchéité (18) en regard de la troisième surface d'étanchéité (12), ladite surface d'étanchéité (18) étant de forme complémentaire à ladite troisième surface d'étanchéité (12) et formant avec elle le jeu el, ladite bague élastique fendue (28) ayant sa surface opposée (19) exposée à la pression règnant dans l'espace de confinement (3).

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la troisième surface d'étanchéité (12) est cylindrique et en ce que le joint flexible (15) est un manchon élastique comportant une surface d'étanchéité (18) en regard de la troisième surface d'étanchéité (12), ladite surface d'étanchéité (18) étant de forme complémentaire à ladite troisième surface d'étanchéité (12) et formant avec elle le jeu el, ledit manchon élastique comportant aussi une surface extérieure (19) opposée à ladite troisième surface d'étanchéité (12) et exposée à pression régnant dans l'espace de confinement (3).