FR2824378A1 - Coupling for a ring brush, at a rotor or stator, has a housing containing wound polymerized fabrics and impregnated ribbons to give supple projecting filaments as a barrier - Google Patents
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Abstract
Description
associé à chacun des régulateurs (Kj).associated with each of the regulators (Kj).
L'invention concerne le domaine des joints à brosses annulaires The invention relates to the field of ring brush seals
devant assurer l'étanchéité d'un entrefer entre un rotor et un stator. to seal a gap between a rotor and a stator.
Elle concerne également des secteurs angulaires de joints à It also relates to angular sectors of joints at
brosses destinés à des applications spécifiques. brushes for specific applications.
De tels joints à brosses sont notamment utilisés pour réaliser l'étanchéité au niveau de la turbine haute pression dans une turbo machine, et plus particulièrement au niveau de la bride interne de fixation des plates-formes internes des aubes directrices du distributeur en sortie Such brush seals are used in particular for sealing at the high pressure turbine in a turbo machine, and more particularly at the internal flange for fixing the internal platforms of the guide vanes of the outlet distributor.
de la chambre de combustion.of the combustion chamber.
L'état de la technique est iilustré notamment par EP 0 834 688, The state of the art is illustrated in particular by EP 0 834 688,
US 5,678,898, US 6,042,119, DE 37 20 069 et DE 39 07 614. US 5,678,898, US 6,042,119, DE 37 20 069 and DE 39 07 614.
Ces documents dévoilent des joints à brosses comportant un bo^'tier susceptible d'être fixé sur le stator ou le rotor et une barrière de soies retenue par le botier, lesdites soies s'étendant axialement ou radialement à partir du bo^'tier et étant susceptibles de frotter contre le These documents disclose brush seals comprising a casing capable of being fixed on the stator or the rotor and a bristle barrier retained by the housing, said bristles extending axially or radially from the casing and being likely to rub against the
rotor ou le stator.rotor or stator.
Dans ces documents, les soies sont retenues dans le bo^'tier soit par serrage entrer deux coupelles constituant le botier, soit par soudure In these documents, the bristles are retained in the casing, either by tightening entering two cups constituting the housing, or by welding
sur des plaques métalliques.on metal plates.
L'état de la technique cité prévoit également que les soies libres qui viennent frotter contre la pièce mobile peuvent former dans le bo^ttier les trames d'un empilement de tissus dont les fils de chane sont soudables au botier, ou d'un empilement de tissu maintenu par serrage The cited state of the art also provides that the free bristles which rub against the moving part can form in the casing the wefts of a stack of fabrics whose warp threads can be welded to the housing, or of a stack fabric clamped
dans le bo'^tier.in the box.
DE 39 07 614 prévoit u ne autre construction dans laquelle les soies, qui sont métalliques, sont formoes par des brins entourant un tore et maintenus sur ce tore par un tube fendu maintenu serré entre deux coupelles. La fixation des soies par soudure nécessite des soies en matériau soudable ou non destructibles au cours de la soudure, lorsque le matériau soudable est issu de la chane du tissu. Cette technique ne peut DE 39 07 614 provides for another construction in which the bristles, which are metallic, are formed by strands surrounding a torus and held on this torus by a split tube held clamped between two cups. Fixing the bristles by welding requires bristles made of weldable or non-destructible material during welding, when the weldable material comes from the warp of the fabric. This technique cannot
être appliquée lorsque les soies sont en carbone. be applied when the bristles are carbon.
Selon une autre technique, on réalise des joints à brosses en fibres de carbone, par couture de nappes de fibres en carbone avec des fils métalliques, par pliage de la nappe sur un tore constitué par une feuille métallique roulé sur un ressort, par mise en place de coupelles avant et arrière et par sertissage de l'ensemble. On découpe ensuite les extrémités des soies pour obtenir le diamètre interne souhaité par rectification après humidification et congélation. Cette technique complexe est difficile à According to another technique, carbon fiber brush seals are produced, by sewing plies of carbon fibers with metallic wires, by folding the ply on a torus constituted by a metal sheet rolled on a spring, by setting place of front and rear cups and by crimping the assembly. The ends of the bristles are then cut to obtain the desired internal diameter by rectification after humidification and freezing. This complex technique is difficult to
mettre en oeuvre et est difficilement industrialisable. to implement and is difficult to industrialize.
Le but de l'invention est de proposer un joint à brosses qui soit The object of the invention is to provide a brush seal which is
plus facile à réaliser.easier to achieve.
L'invention concerne tout d'abord un premier type de joint à brosses annulaire devant assurer l'étanchéité d'un entrefer entre un rotor et stator, comportant un bo^'tier susceptible d'être fixé sur le stator ou le rotor et une barrière de soies retenue par ledit botier, lesdites soies s'étendant axialement ou radialement à partir dudit botier et étant The invention relates first of all to a first type of annular brush seal which must seal a gap between a rotor and stator, comprising a cas ^ 'tier capable of being fixed on the stator or the rotor and a bristle barrier retained by said housing, said bristles extending axially or radially from said housing and being
susce ptibl es de frotter co ntre le rotor ou le stator. this is likely to rub between the rotor or the stator.
Selon l'invention, ce joint à brosses est caractérisé par le fait que le botier est réalisé en matériau composite par polymérisation de nappes de tissu imprégné de résine, et par le fait que les soies s'étendent latéralement à partir de bandes de tissu enroulées et superposées, disposoes axialement dans le bo^'tier, lesdites bandes de tissu au moins étant imprégnées lors de la polymérisation par un flot de résine venant des nappes de tissu, et formant According to the invention, this brush seal is characterized in that the housing is made of composite material by polymerization of sheets of fabric impregnated with resin, and in that the bristles extend laterally from strips of wound fabric and superimposed, disposed axially in the housing, said at least said strips of fabric being impregnated during polymerization with a flow of resin coming from the layers of fabric, and forming
bloc avec le bo^tier.block with housing.
Ava ntageuse me nt, le bo^ti er prése nte u ne zone latéra le da ns Ava ntageuse me nt, the box presents a lateral zone in da ns
laquelle les soies sont souples et libres. which the bristles are flexible and free.
Selon une première variante, les soies sont repliées radialement According to a first variant, the bristles are folded radially
à l'intérieur du botier.inside the case.
Dans ce cas, les soies forment bloc avec le bo^tier dans la zone In this case, the bristles form a block with the housing in the area
de pliage.folding.
Avantageusement, les soies, les bandes de tissu et les nappes Advantageously, the bristles, the strips of fabric and the tablecloths
de tissu sont en carbone, ou en céramique. of fabric are carbon, or ceramic.
L'invention concerne également un procédé pour réaliser ce The invention also relates to a method for performing this
premier type de joint à brosses.first type of brush seal.
Selon le procédé, on réalise une barrière de soies en enroulant des bandes de tissu à fibre sèche à partir desquelles s'étendent des soies, on adjoint des nappes de tissu imprégné de résine au moins aux bandes de tissu, pour constituer un bo^rtier, et on polymérise l'ensemble par étuvage afin que les bandes de tissu et les portions de soies en contact avec les nappes de tissu imprégné fassent bloc avec le bo^tier, par suite de l'imprégnation desdites bandes et desdites portions par le flot de résine venant des nappes de According to the method, a barrier of bristles is produced by winding strips of dry fiber fabric from which the bristles extend, sheets of fabric impregnated with resin are added at least to the strips of fabric, to form a casing. , and the assembly is polymerized by steaming so that the strips of fabric and the portions of bristles in contact with the layers of impregnated fabric form a block with the housing, as a result of the impregnation of said strips and of said portions by the flow resin from the tablecloths of
tissu imprégné.impregnated fabric.
Avantageusement, on replie radialement les soies après avoir réalisé la barrière de soie, on adjoint des nappes de tissu imprégné dans Advantageously, the bristles are folded radially after having made the silk barrier, we add sheets of fabric impregnated in
la zone de pliage.the folding area.
De préférence, on réalise, dans le bo^tier, une zone latérale dans laquelle les soies seront souples et libres, en protégeant lesdites zones de soie par un ruban adhésif empêchant la diffusion de la résine Preferably, a lateral zone is created in the casing in which the bristles will be flexible and free, by protecting said silk zones with an adhesive tape preventing the diffusion of the resin.
dans lesdites zones lors de la polymérisation. in said areas during polymerization.
L'invention concerne en outre un procédé pour réaliser un joint à The invention further relates to a method for making a joint to
brosses mince comportant une barrière de soies. thin brushes with a bristle barrier.
Ce procédé est caractérisé par le fait que l'on réalise la barrière en soies en enroulant des bandes superposées de tissu à fibre sèche à partir desquelles s'étendent les soies, on replie radialement vers l'intérieur les soies et les bandes de tissu, afin que les bandes de tissu soient accolées aux soies, on imprègne les bandes de tissus et les zones attenantes de soies avec de la résine et on polymérise la résine par This process is characterized by the fact that the silk barrier is produced by winding superimposed strips of dry fiber fabric from which the bristles extend, the bristles and the strips of fabric are folded radially inwards, so that the strips of fabric are attached to the bristles, the strips of fabric and the adjoining areas of bristles are impregnated with resin and the resin is polymerized by
étuvage de l'ensemble.steaming of the whole.
De manière avantageuse on replie les soies et les bandes de Advantageously, the bristles and the strips of
tissu autour d'un tore métallique.fabric around a metal torus.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront Other advantages and characteristics of the invention will emerge
à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en on reading the following description given by way of example and in
référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une demicoupe axiale d'un joint à brosses semi fini obtenu selon la procédé de l'invention, ce joint à brosses étant monté reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is an axial half-cut of a semi-finished brush seal obtained according to the method of the invention, this brush seal being mounted
avant l'opération de polymérisation par étuvage. before the curing operation.
Les figures 2a et 2b montrent respectivement en plan et en coupe selon la ligne lib, lib de la figure 2a, un ruban de tissu utilisé pour ia fabrication de la barrière de soies; les figures 3a et 3b montrent, respectivement en plan et en coupe selon la ligne lilb, lilb de la figure 3a, une bande de tissu issue du ruban de tissu de la figure 2a et utilisée pour réaliser le joint à brosses selon l'invention; la figure 4 montre l'opération d'enroulement d'une bande de tissu; les figures 5a et 5b montrent respectivement en perspective et en coupe selon un plan axial, une bande de tissu enroulée; les figures 6a et 6b montrent respectivement en perspective et en coupe selon un plan axial, la bande de tissu enroulée après pliage des soies; la figure 7 est semblable à ia figure 1 et montre une disposition différente des nappes de préimprégnés; la figure 8 montre une demi-coupe d'un joint à brosses à soies axiales réalisé selon le procédé de l'invention avant l'opération d'étuvage; la figure 9 montre une variante de joint à brosses selon l'invention équipé d'une bride de fixation; la figure 10 montre l'opération de repli des bandes de tissu montrées sur les figures 6a et 6b, avant imprégnation, afin de réaliser un autre type de joint à brosses conforme à l'invention; la figure 11 montre l'opération d'adjonction de résine pour réaliser l'autre type de joint à brosses; et la figure 12 montre un système de fixation de cet autre type de Figures 2a and 2b show respectively in plan and in section along the line lib, lib of Figure 2a, a fabric ribbon used for ia manufacture of the silk barrier; Figures 3a and 3b show, respectively in plan and in section along the line lilb, lilb of Figure 3a, a strip of fabric from the fabric ribbon of Figure 2a and used to make the brush seal according to the invention; FIG. 4 shows the operation of winding up a strip of fabric; Figures 5a and 5b show respectively in perspective and in section along an axial plane, a rolled up fabric strip; Figures 6a and 6b show respectively in perspective and in section along an axial plane, the strip of fabric wound after folding the bristles; Figure 7 is similar to Figure 1 and shows a different arrangement of the prepreg plies; FIG. 8 shows a half-section of a seal with axial bristle brushes produced according to the method of the invention before the steaming operation; FIG. 9 shows a variant of a brush seal according to the invention equipped with a fixing flange; FIG. 10 shows the operation of folding the strips of fabric shown in FIGS. 6a and 6b, before impregnation, in order to produce another type of brush seal in accordance with the invention; FIG. 11 shows the operation of adding resin to make the other type of brush seal; and Figure 12 shows a fastening system of this other type of
joint à brosses sur un support.attached to brushes on a support.
La figure 1 montre un joint à brosses 1 annulaire d'axe X qui comporte un bo^tier monobloc 2 présentant une zone axiale 3 par laquelle sortent les soies d'une barrière de soies 4. Les soies sont souples et libres dans la zone 3 et s'étendent axialement vers la surface d'un rotor non montré sur les dessins. Les soies peuvent également être inclinées par rapport à l'axe X. Le bo^tier 2 est destiné à être monté sur un stator de turbomachine par exemple, et les soies frottent contre le rotor. La barrière FIG. 1 shows an annular brush seal 1 of axis X which comprises a monobloc casing 2 having an axial zone 3 through which the bristles emerge from a bristle barrier 4. The bristles are flexible and free in zone 3 and extend axially towards the surface of a rotor not shown in the drawings. The bristles can also be inclined relative to the axis X. The cas ^ tier 2 is intended to be mounted on a turbomachine stator for example, and the bristles rub against the rotor. The barrier
de soies 4 réalise alors l'étanchéité de l'entrefer séparant le rotor du stator. bristles 4 then seals the air gap separating the rotor from the stator.
Dans l'exemple de réalisation décrit ci-dessous, les soies sont en carbone. Mais le procédé de fabrication peut également s'appliquer à In the embodiment described below, the bristles are made of carbon. But the manufacturing process can also be applied to
des soies en céramique.ceramic bristles.
Selon l'invention, le bo^'tier monobloc 2 est en matériau composite et les soies sont retenues à l'intérieur du botier 2, en dehors de la zone 3 par de la résine formant bloc avec le bo^tier 2, cette résine provenant des imprégnés constituant le bo^tier 2 au cours de la polyméri According to the invention, the monobloc bo ^ 'tier 2 is made of composite material and the bristles are retained inside the casing 2, outside the zone 3 by resin forming a block with the bo ^ tier 2, this resin from the impregnates constituting the casing 2 during the polymerization
sation par étuvage.sation by steaming.
Le bo^tier 2, du joint à brosses 1, montré sur la figure 1 se présente sous la forme d'une équerre ayant une zone coudée 5. La référence 6 désigne l'épaisseur radiale du bo^tier 2 dans laquelle les soies The box 2, of the brush seal 1, shown in FIG. 1 is in the form of a square having a bent zone 5. The reference 6 designates the radial thickness of the box 2 in which the bristles
de la barrière de soies 4 sont intimement liées au bo'^tier 2. of the bristle barrier 4 are intimately linked to the housing 2.
Les figures 2a à 6b montrent les diverses étapes pour réaliser la barrière de soies 4. On part de rubans de tissu 6 en fibres sèches de largeur donnée et de longueur donnée comportant des fils de trame 7 en carbone et des fils de chane 8, ainsi que cela est montré sur les FIGS. 2a to 6b show the various steps for producing the silk barrier 4. We start with fabric ribbons 6 of dry fibers of given width and given length comprising weft threads 7 of carbon and warp threads 8, as well that this is shown on them
figures 2a et 2b. Les fils de chane 8 sont également en carbone. Figures 2a and 2b. The chain wires 8 are also made of carbon.
On enlève les fils de chane 8a sur un bord des rubans de tissu 6, et on conserve les fils de chane 8 de l'autre bord de ruban afin que ce bord constitue une bande de tissu 9 à partir de laquelle s'étendent latéralement des soies libres 10, ainsi que cela est représenté sur les The warp threads 8a are removed on one edge of the fabric ribbons 6, and the warp threads 8 are kept on the other edge of the ribbon so that this edge constitutes a strip of fabric 9 from which extend laterally free bristles 10, as shown in the
figures 3a et 3b.Figures 3a and 3b.
Plusieurs bandes de tissu 9 sont ensuite superposées afin d'obtenir une épaisseur suffisante pour la barrière de soie, et on enroule Several strips of fabric 9 are then superimposed in order to obtain a thickness sufficient for the silk barrier, and one rolls up
I'ensemble, ainsi que cela est montré sur les figures 4 à 5b. The assembly, as shown in FIGS. 4 to 5b.
On replie ensuite les soies libres 10 comme montré sur les figures 6a et 6b. A partir de ce stade, les bandes de tissu 9 superposées s'étendent axialement et forment un anneau 11, et les soies 10 s'étendent radialement. Pour réaliser la zone 3, on applique, de part et d'autre des soies , des anneaux de ruban adhésif référencés respectivement 12 et 13 sur The free bristles 10 are then folded back as shown in FIGS. 6a and 6b. From this stage, the superimposed strips of fabric 9 extend axially and form a ring 11, and the bristles 10 extend radially. To make zone 3, one applies, on both sides of the bristles, rings of adhesive tape referenced respectively 12 and 13 on
la figure 1.Figure 1.
Pour réaliser le bo'^tier 2, on applique, de part et d'autre de l'anneau 11 et sur les rubans adhésifs 12 et 13, des nappes 14 de tissu imprégné de résine. Ce tissu peut étre réalisé avec des fils de carbone, et la résine imprégnant les nappes de tissu est du type thermodurcissable To make the housing ^ tier 2, on each side of the ring 11 and on the adhesive tapes 12 and 13, sheets 14 of fabric impregnated with resin are applied. This fabric can be made with carbon threads, and the resin impregnating the fabric layers is of the thermosetting type.
résistant à de hautes températures. resistant to high temperatures.
L'adjonction des nappes 14 de tissu et des rubans adhésifs peut étre réalisée dans des moules appropriés. Dans ce cas, on tapisse le fond du moule par des nappes de tissu imprégné, on dispose le ruban adhésif 12, on met en place l'anneau 11 montré sur la figure 6a, puis le ruban adhésif 13, on complète avec des nappes 14 de tissu imprégné, on ferme The addition of the sheets of fabric 14 and of the adhesive tapes can be carried out in suitable molds. In this case, we line the bottom of the mold with sheets of impregnated fabric, we place the adhesive tape 12, we put in place the ring 11 shown in FIG. 6a, then the adhesive tape 13, we complete with sheets 14 of impregnated fabric, we close
le moule, on serre et on passe à l'étuvage. the mold, we tighten and we pass to the baking.
Au cours de l'opération d'étuvage, un flot de résine venant des nappes 14 de tissu imprègne les bandes de tissu 9 et les soies 10 situées During the steaming operation, a stream of resin from the sheets of fabric permeates the strips of fabric 9 and the bristles 10 located
dans l'épaisseur radiale référencée 6, notamment dans la zone coudée 5. in the radial thickness referenced 6, in particular in the bent zone 5.
En revanche, les zones des soies 10 protégées par les rubans On the other hand, the areas of the bristles 10 protected by the ribbons
adhésifs 12 et 13 restent sèches lors de la polymérisation. adhesives 12 and 13 remain dry during polymerization.
Après l'étuvage et le durcissement de la résine, les bandes 9 de tissu et les zones de soies imprégnées de résine forment bloc avec le botier2. En revanche, les soies 10 sont souples et libres au droit des rubans adhésifs 12 et 13, c'est-à-dire dans la zone 3. Les rubans adbésifs 12 et 13 peuvent éventuellement être retirés à la fin de l'opération d'étuvage. Les nappes de tissu 14 sont imprégnées, par voie humide, de After baking and curing of the resin, the strips 9 of fabric and the areas of bristles impregnated with resin form a block with the housing 2. On the other hand, the bristles 10 are flexible and free to the right of the adhesive tapes 12 and 13, that is to say in the zone 3. The adhesive tapes 12 and 13 can possibly be removed at the end of the operation of baking. The sheets of fabric 14 are wet-impregnated with
résine polyimide, type PMR 15.polyimide resin, type PMR 15.
Le joint à brosses montré sur la figure 7 diffère de celui montré The brush seal shown in Figure 7 differs from the one shown
sur la figure 1 par la disposition des nappes 14 de tissu imprégné. in Figure 1 by the arrangement of the plies 14 of impregnated fabric.
La figure 8 montre un joint à brosses axial. La réalisation de ce joint est identique à celui décrit ci-dessus, si ce n'est que l'opération de Figure 8 shows an axial brush seal. The realization of this joint is identical to that described above, except that the operation of
pliage des soies 10, montrée sur les figures 6a et 6b est supprimée. folding of the bristles 10, shown in FIGS. 6a and 6b is eliminated.
On peut, selon le même procédé, réaliser des joints à brosses We can, using the same process, make brush seals
dans lesquels les soies 10 sont pliées selon un angle inférieur à 90 . in which the bristles 10 are folded at an angle less than 90.
La figure 9 montre une variante de réalisation du joint à brosses 1. Le bo^tier 2 de ce joint à brosses comporte une bride de fixation Figure 9 shows an alternative embodiment of the brush seal 1. The housing ^ 2 of this brush seal has a fixing flange
15 réalisée en matériau composite par adjonction de nappes supplémen- 15 made of composite material by adding additional plies
taires de tissu imprégné au bo^tier 2 avant l'étuvage. cover of fabric impregnated in the housing 2 before baking.
Dans le cas o ies soies sont en céramique, le matériau du tissu In the case where the bristles are ceramic, the material of the fabric
formant les nappes imprégnées 14 sont également des fibres céramiques. forming the impregnated sheets 14 are also ceramic fibers.
L'invention concerne également un procédé pour réaliser un deuxième type de joint à brosses qui diffère du premier type de joint à brosses 1 décrit ci-dessus par le fait qu'il ne comporte pas de bo^'tier réalisé par polymérisation de nappes de tissu imprégné de résine The invention also relates to a method for producing a second type of brush seal which differs from the first type of brush seal 1 described above in that it does not include a casing made by polymerizing plies of resin impregnated fabric
appliquées de part et d'autre de l'anneau. applied on both sides of the ring.
Pour ce faire on réalise un anneau 11 ainsi que cela a été expliqué plus haut, puis on replie radialement vers l'intérieur les bandes de tissus 9 superposses, ainsi que cela est illustré sur la figure 10, en positionnant éventuellement un tore métallique 20 dans la région de la To do this, a ring 11 is produced, as has been explained above, and then the strips of superpossi fabrics 9 are folded radially inwards, as illustrated in FIG. 10, possibly positioning a metal torus 20 in the region of
pliure, ce tore 20 restant prisonnier de i'ensemble. fold, this torus 20 remaining trapped in the assembly.
On dispose ensuite l'ensemble 21 ainsi obtenu à l'horizontale dans un outillage approprié, et on verse un flot de résine R sur la couche de bandes de tissus 2, ainsi que cela est montré sur la figure 11, afin d'imprégner les fibres de cette couche et les soies attenantes. Lors de cette opération on prend soin de ne pas mouiller la zone des soies située radialement à l'intérieur de la couche de bandes de tissus qui doit rester sèche. La zone qui doit rester sèche peut être protégée avec du ruban adhésif ou avec l'outillage 22. La résine d'imprégnation ayant un aspect sirupeux, I' imprég nation se réal ise facilement. On procède ensu ite à la The assembly 21 thus obtained is then placed horizontally in an appropriate tool, and a stream of resin R is poured onto the layer of fabric strips 2, as shown in FIG. 11, in order to impregnate the fibers of this layer and adjoining bristles. During this operation, care is taken not to wet the area of the bristles located radially inside the layer of tissue strips which must remain dry. The area which must remain dry can be protected with adhesive tape or with the tool 22. The impregnating resin having a syrupy appearance, the impregnation is easily carried out. We then proceed to
polymérisation de la résine par étuvage. polymerization of the resin by steaming.
Les bandes de tissu et la zone attenante de soies forment ainsi avec la résine polymérisée un bloc rigide 23 à partir duquel s'étendent The strips of fabric and the adjoining area of bristles thus form with the polymerized resin a rigid block 23 from which extend
radialement les soies 10.radially the bristles 10.
La figure 12 montre un système de fixation du joint à brosses ainsi obtenu sur un support 24. Le bloc 23 qui a une épaisseur relativement faible et se présente sous la forme d'une rondelle, est maintenu entre une beque d'arrêt 25 et une contre plaque métallique 26 FIG. 12 shows a system for fixing the brush seal thus obtained on a support 24. The block 23 which has a relatively small thickness and is in the form of a washer, is held between a stopper 25 and a against metal plate 26
qui est en appui contre un épaulement 27 du support 24. which is in abutment against a shoulder 27 of the support 24.
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