FR2912797A1 - Joint d'etancheite magnetique a portance - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un joint d'étanchéité magnétique (10) destiné à être disposé entre un bâti (12) et un arbre rotatif (14) dans ledit bâti, ledit joint comportant une première partie de joint (18) formant bague destinée à être montée sur l'arbre et une seconde partie de joint (24) destinée à être montée sur le bâti coaxialement en face de la première partie, le joint magnétique comportant en outre des moyens magnétiques arrangés de telle sorte que, lorsque le joint est monté, les deux parties de joint sont attirées l'une vers l'autre.L'invention se caractérise en ce que ledit joint comporte en outre des moyens pour former une fine couche d'air (42) entre les deux parties de joint lors de la rotation de la première partie de joint par rapport à la seconde partie de joint.

Description

La présente invention concerne le domaine des joints d'étanchéité et

notamment celui des joints d'étanchéité magnétiques. La présente invention concerne plus précisément un joint d'étanchéité magnétique destiné à être disposé entre un bâti et un arbre rotatif dans ledit bâti, ledit joint comportant une première partie de joint formant bague destinée à être montée sur l'arbre et une seconde partie de joint destinée à être montée sur le bâti coaxialement en face de la première partie, le joint magnétique comportant en outre des moyens magnétiques arrangés de telle sorte que, lorsque le joint est monté, les deux parties de joint sont attirées l'une vers l'autre. Un tel joint a généralement pour fonction d'assurer l'étanchéité entre une première enceinte disposée en amont du joint et une seconde enceinte disposée en aval du joint, les adjectifs amont et aval étant considérés selon la direction axiale de l'arbre rotatif.

Dans ce joint, tel que celui décrit dans le document EP 0 306 979, la seconde partie formant bague comporte une portion aimantée tandis que la première partie fixée au bâti est constituée d'un matériau apte à être attiré par la force d'attraction magnétique engendrée par la première partie de joint, ladite force d'attraction étant suffisamment importante pour que les première et seconde parties de joint restent fermement en contact l'une de l'autre par le biais de leurs surfaces de contact respectives lors de la rotation de l'arbre, de manière à réaliser l'étanchéité entre les deux enceintes susmentionnées. Toutefois, lors de la rotation de l'arbre, le frottement mécanique 25 entre les deux parties de joint produit un échauffement du joint conduisant inévitablement à l'usure de ce dernier. Une telle usure se traduit par une diminution de l'étanchéité du joint. Dans le cas où l'une des deux enceintes contient de l'huile, on 30 comprend qu'une usure trop importante du joint entraîne des fuites d'huile indésirables voire de la cokéfaction due aux températures importantes générées par la friction. Aussi est-il nécessaire de procéder de manière fréquente au changement de ce joint magnétique, ce qui entraîne des coûts de 35 maintenance élevés.

Un but de l'invention est de fournir un joint magnétique ayant une durée de vie plus longue que celui déjà connu tout en conservant durablement ses propriétés d'étanchement. L'invention atteint son but par le fait que le joint magnétique comporte en outre des moyens pour former une fine couche d'air entre les deux parties de joint lors de la rotation de la première partie de joint par rapport à la seconde partie de joint. En d'autres termes, l'idée sous jacente est que cette couche d'air forme une couche étanche.

Ainsi, les moyens pour former une fine couche d'air sont également aptes à créer une force de décollement tendant à décoller légèrement les deux parties de joint l'une de l'autre. De manière préférentielle mais non nécessairement, c'est la première partie de joint qui s'éloigne légèrement de la seconde partie de 15 joint, cette dernière restant fixe. Dès lors, on comprend que grâce à la présente invention, il n'y a plus de contact mécanique entre les deux parties de joint lors de leur rotation relative, celles-ci étant séparées par la fine couche d'air. Par ailleurs, l'action des moyens magnétiques permet 20 avantageusement de maintenir une distance d'équilibre entre les deux parties de joint décollées en créant une force magnétique orientée dans un sens opposé à celle de la force de décollement générée par lesdits moyens pour former une fine couche d'air. En l'absence de contact mécanique entre les deux parties de joint, 25 on comprend qu'il n'y a plus de frottement mécanique entre ces deux pièces, en conséquence de quoi on réduit sensiblement l'échauffement et avantageusement l'usure dudit joint. Comme on l'a déjà indiqué, afin de maintenir l'étanchéité du joint alors que les deux parties de joint ne sont plus en contact l'une contre 30 l'autre, on s'arrange pour que la fine couche d'air ainsi formée constitue une couche étanche. Par exemple, on peut faire en sorte que la pression dans la fine couche d'air soit supérieure à la pression existant de part et d'autre de ladite couche, grâce à quoi des particules telles des gouttelettes d'huile ne 35 peuvent franchir la fine couche d'air.

De manière préférentielle les moyens pour former une fine couche d'air entre les deux parties de joint sont aptes à donner un mouvement rotationnel centrifuge à la fine couche d'air. Autrement dit, l'air constituant la fine couche est entraîné en rotation autour de l'axe du joint, (ce dernier correspondant également à l'axe de l'arbre lorsque le joint est monté), tout en étant éloigné radialement de l'arbre, de manière à créer un flux d'air radial empêchant des particules de traverser la couche selon un sens opposé à celui du flux. Pour ce faire, les moyens pour former une fine couche d'air entre les deux parties de joint comportent avantageusement une pluralité de rainures formées dans une surface annulaire de l'une des deux parties de joint, ladite surface annulaire faisant face à l'autre partie de joint. Autrement dit, les rainures débouchent du côté de l'autre partie de joint.

De préférence, les rainures s'étendent sensiblement dans un plan orthogonal à l'axe du joint magnétique, tout en présentant dans ce plan, une forme légèrement incurvée. Par ailleurs, la profondeur des rainures est très faible par rapport à leurs extensions radiales.

On comprend que la rotation de la surface annulaire (et donc des rainures) entraîne le déplacement de l'air situé à proximité desdites rainures et/ou dans celles-ci, ce qui a pour conséquence l'augmentation de la pression de l'air situé dans les rainures. La pression de l'air engendre alors une force qui tend à éloigner les deux parties de joint l'une de l'autre. En outre, la conformation spiroïdale des rainures engendre un flux d'air centrifuge refoulant les particules vers l'intérieur du bâti. Par ailleurs, les moyens magnétiques comprennent avantageusement des éléments aimantés disposés dans la seconde partie de joint et un matériau apte à être attiré par une force magnétique, qui est disposé dans la première partie de joint. Ce matériau est de préférence du type ferromagnétique. Il en résulte que la première partie de joint est attirée par la seconde partie de joint du fait de la force magnétique exercée par les 35 éléments aimantés sur le matériau du type ferromagnétique.

Avantageusement, les éléments aimantés comportent une pluralité de barreaux magnétiques disposés le long d'une circonférence s'étendant dans un plan orthogonal à un axe de la seconde partie de joint. De préférence, cet axe coïncide avec celui de l'arbre lorsque le joint selon l'invention est monté. De préférence, la circonférence présente la forme d'un cercle, les barreaux étant régulièrement distribués le long dudit cercle. Il en résulte que la zone magnétisée par les barreaux s'étend sensiblement annulairement autour de l'axe de la seconde partie de joint.

Un intérêt de ces barreaux magnétiques réside dans le fait que l'on magnétise uniquement une fraction utile de la seconde partie de joint et non pas sa totalité. En effet, on conçoit aisément que seule la portion annulaire de la seconde partie de joint faisant face à la surface annulaire de la première partie de joint doit être magnétisée de façon à attirer la première partie de joint. Ainsi et conformément à la présente invention, la seconde partie de joint peut être avantageusement réalisée dans un matériau non magnétique tout en comportant des cavités destinées à loger les barreaux aimantés de telle sorte que le coût de fabrication du joint est sensiblement réduit. Un autre intérêt des barreaux magnétiques est qu'ils sont aisément remplaçables, grâce à quoi on facilite les opérations de maintenance. Avantageusement, le joint magnétique comporte en outre un anneau de carbone fixé sur une surface annulaire de l'une des deux parties de joint. De préférence, l'anneau de carbone est fixé sur une surface annulaire de la seconde partie de joint et s'étend axialement vers la première partie de joint de manière à constituer une butée axiale pour ladite première partie de joint lorsque l'arbre ne tourne pas ou, à tout le moins, tourne à une vitesse insuffisante pour provoquer le décollement des deux parties de joint. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la seconde partie de joint est fixée solidairement au bâti.

Un intérêt est de diminuer le nombre de pièces nécessaires afin de faciliter les opérations de maintenance.

La présente invention concerne en outre un turbomoteur et une turbomachine d'hélicoptère comportant un joint magnétique conforme à la présente invention. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, de modes de réalisation indiqués à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une demi- coupe axiale de l'extrémité d'un bâti dans lequel est monté rotatif un arbre, ledit bâti et ledit arbre étant reliés de manière étanche par un joint magnétique conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une demi-coupe axiale de l'extrémité d'un bâti dans lequel est monté rotatif un arbre, ledit bâti et ledit arbre étant reliés de manière étanche par un joint magnétique conforme à un second mode de réalisation de la présente invention ; et - la figure 3 est une vue selon la flèche III de la figure 1, montrant la surface annulaire de la première partie de joint dans laquelle sont formées les rainures spiroïdales, conformément à l'invention. Le joint magnétique conforme à la présente invention est destiné à être utilisé dans une turbomachine et en particulier, dans un turbomoteur d'hélicoptère.

Ce joint est plus particulièrement utilisé afin d'assurer l'étanchéité entre l'enceinte réducteur, dans laquelle sont montés des arbres et des engrenages généralement lubrifiés par un bain d'huile, et l'extérieur du turbomoteur d'hélicoptère. On comprend en effet que l'on cherche à éviter les fuites d'huile vers l'extérieur du turbomoteur, tant pour en diminuer la consommation par le moteur, que pour des considérations environnementales. Sur la figure 1, on a représenté un premier mode de réalisation du joint magnétique 10 selon la présente invention, lequel est disposé entre un bâti 12 du turbomoteur et un arbre 14 monté rotatif dans ledit bâti 12, notamment par l'intermédiaire d'un palier 16.

Le joint magnétique 10 décrit ici a pour fonction d'empêcher que l'huile contenue dans l'enceinte 17 du bâti 12 située entre le joint magnétique 10 et le palier 16 ne fuie vers l'extérieur du turbomoteur. Comme on le constate sur cette figure, le joint magnétique 10 selon l'invention comporte une première partie de joint 18 formant bague destinée à être montée sur l'arbre 14. L'étanchéité entre l'arbre 14 et la première partie de joint 18 est assurée par un premier joint torique 20 qui est logé dans une gorge intérieure 22 de la première partie de joint 18.

Pour des raisons détaillées ci-après, la première partie de joint 18, lorsqu'elle est montée sur l'arbre 14, est bloquée en rotation tout en pouvant légèrement translater selon la direction axiale de l'arbre 14. Comme on le voit sur la figure 1, le joint magnétique 10 selon l'invention comporte en outre une seconde partie de joint 24 destinée à être montée sur le bâti 12 coaxialement en face de la première partie de joint 18 formant bague. On comprend donc que les deux parties de joint 18, 24 et l'arbre 14 sont coaxiaux. Dans ce mode de réalisation, la seconde partie de joint 24 présente 20 également la forme d'une bague. Cette seconde partie de joint 24 est montée sur un alésage 26 d'une cage porte joint 28, laquelle est fixée solidairement au bâti 12. L'étanchéité entre la cage porte joint 28 et le bâti 12 est assurée par un deuxième joint torique statique 30 disposé entre eux. 25 Comme on le voit sur la figure 1, l'étanchéité entre la seconde partie de joint 24 et la cage porte joint 28 est assurée par un troisième joint torique 32 logé dans une gorge extérieure 34 de la seconde partie de joint 24. Lorsque le joint magnétique 10 est monté, les première et seconde 30 parties de joint 18, 24 sont disposées axialement côte à côte, de telle sorte qu'une surface annulaire 36 de la première partie de joint 18 fait face à une surface annulaire 38 de la seconde partie de joint 24, lesdites surfaces annulaires 36, 38 s'étendant dans des plans orthogonaux à la direction axiale de l'arbre 14. 35 Au demeurant, la seconde partie de joint 24 est préférentiellement montée en butée axiale contre un épaulement interne de la cage porte joint 28, par le biais de sa surface annulaire opposée à celle faisant face à la première partie de joint 18. Conformément à l'invention, le joint magnétique 10 comporte en outre des moyens magnétiques arrangés de telle sorte que les deux parties de joint 18, 24 sont attirées l'une vers l'autre. Préférentiellement, les moyens magnétiques comportent un matériau magnétisé pouvant constituer tout ou partie de la seconde partie de joint 24 ainsi qu'un matériau du type ferromagnétique constituant tout ou partie de la première partie de joint 18, en conséquence de quoi on comprend bien que les deux parties de joint sont attirées l'une vers l'autre par la force magnétique engendrée par le matériau magnétisé. En l'espèce, la seconde partie de joint 24 est réalisée dans un matériau magnétisé tandis que la première partie de joint 18 est réalisée dans un matériau apte à être attiré par une force magnétique, bien que l'on pourrait tout à fait prévoir l'inverse. De manière préférentielle, le joint comporte en outre un anneau de carbone 40 fixé sur la surface annulaire 36 de la première partie de joint 18. Plus précisément, l'anneau de carbone 40 est logé dans une rainure circulaire formée dans ladite surface annulaire 36. L'anneau de carbone 40 présente une épaisseur axiale supérieure à la profondeur de la rainure dans laquelle il est logé, de manière que le contact entre les deux parties de joint 18 et 24 se fasse entre la surface annulaire 38 de la seconde partie de joint 24 et l'anneau de carbone 40, ce dernier étant utilisé associé à l'acier car il est particulièrement résistant à l'usure par frottement contrairement au matériau de la première partie de joint 18. De manière particulièrement avantageuse, le joint magnétique 10 selon l'invention comporte en outre des moyens pour former une fine couche d'air entre les deux parties de joint 18,24 lors de la rotation de la première partie de joint 18 par rapport à la seconde partie de joint 24. Cette fine couche d'air constitue une barrière étanche empêchant que l'huile contenue dans l'enceinte 17 ne fuie vers l'extérieur du turbomoteur, tout en supprimant le contact entre l'anneau de carbone 40 et la seconde partie de joint 24 lors de la rotation de l'arbre 14.

Evidemment, lorsque l'arbre 14 ne tourne pas, les première et seconde parties de joint 18,24 sont attirées l'une contre l'autre via l'anneau de carbone, par quoi l'étanchéité est également réalisée en l'absence de rotation de l'arbre 14, ou lorsque ce dernier présente une vitesse insuffisante pour permettre le décollement des deux parties de joint 18, 24. De manière avantageuse, les moyens pour former la fine couche d'air impulsent en outre à celle-ci un mouvement rotationnel centrifuge créant ainsi un flux d'air dirigé radialement vers l'intérieur de l'enceinte 17, en conséquence de quoi les gouttelettes d'huile contenue dans l'enceinte 17 ne peuvent pas traverser le joint magnétique 10. Pour ce faire, lesdits moyens comportent une pluralité de fines rainures 42 formées dans la surface annulaire 38 de la seconde partie de joint 24.

Ces rainures 42 sont représentées en pointillées sur la figure 1, et par ailleurs bien visibles sur la figure 3. La flèche épaisse 44 dessinée sur la figure 3 représente le sens de rotation de la première partie de joint 18, tandis que les fines flèches 46 schématisent le flux d'air généré par la rotation relative des deux parties de joint 18, 24. Chacune des rainures 42 présente une profondeur dimensionnée pour obtenir le décollement de la bague 118 à la vitesse voulue ainsi qu'un effort aéro opposé et supérieur ou égal à l'effort magnétique pour cette vitesse de fonctionnement.

Comme on le voit sur la figure 3, vues dans un plan orthogonal à l'axe de l'arbre, les rainures 42 ont un contour présentant la forme générale d'un profil mince, lesdites rainures 42 étant inclinée par rapport à la direction radiale de la seconde partie de joint 24, tout en étant légèrement incurvées.

Cette conformation particulière, dite en spiroïde, permet de donner à la couche d'air située entre les deux parties de joint 18, 24 un mouvement rotationnel centrifuge. En effet, partant d'une position dans laquelle l'anneau de carbone est en appui contre la surface annulaire 38 de la seconde partie de joint 35 24, la rotation de la première portion de joint 18 entraîne le déplacement de l'air situé dans les rainures 42 et l'augmentation de la pression de l'air contenu dans les rainures 42. On comprend que cette augmentation de pression génère une force de décollement appliquée sur l'anneau de carbone 40 qui tend à éloigner la première partie de joint 18 de la seconde partie de joint 24, étant rappelé que la première partie de joint 18 peut translater légèrement selon la direction axiale de l'arbre 14 comme cela a déjà été mentionné ci-dessus. Cette force de décollement est contrecarrée par la force d'attraction magnétique exercée dans l'autre sens par la première partie de joint 18 sur la seconde partie de joint 24, de telle sorte que la première partie de joint 18 trouve avantageusement une position d'équilibre axial. A l'aide de la figure 2, on va maintenant décrire un deuxième mode de réalisation de l'invention.

Les éléments similaires à ceux du premier mode de réalisation de l'invention portent la même référence augmentée de la valeur cent. Dans ce deuxième mode de réalisation, le joint magnétique 110 comporte une première partie de joint 118 destinée à être montée sur un arbre 114 par l'intermédiaire d'un premier joint torique 120 assurant l'étanchéité entre l'arbre 114 et la première partie de joint 118. Le joint magnétique 110 selon la présente invention comporte également une pluralité de rainures 142 spiroïdales mais, contrairement au premier mode de réalisation, ces dernières sont ici formées dans une surface annulaire 136 de la première partie de joint 118.

De manière préférentielle, la conformation des rainures 142 est identique à celle décrite dans le premier mode de réalisation de l'invention si bien que l'on se référera à la description du premier mode de réalisation pour plus de détails. De manière particulièrement avantageuse, la seconde partie de joint 124 ne forme qu'une seule pièce avec la cage porte joint 128 tant est si bien que l'on réduit avantageusement le nombre de pièces nécessaires pour réaliser le montage du joint magnétique 110. En d'autres termes, la seconde partie de joint 124 est fixée solidairement au bâti 112.

Grâce à la présente invention, il n'est donc plus nécessaire de prévoir un joint d'étanchéité entre la seconde partie de joint et la cage porte joint 128, ce qui permet d'augmenter la durée de vie du joint magnétique 110 et d'en diminuer le coût. Comme on peut également le constater en comparant les figures 1 et 2, un autre intérêt de l'invention est de simplifier la forme de la cage porte joint. Dans ce mode de réalisation, les moyens magnétiques comportent des éléments aimantés constitués par une pluralité de barreaux magnétiques 200, qui sont disposés dans la seconde partie de joint 124 le long d'une circonférence s'étendant dans un plan orthogonal à un axe A de la seconde partie de joint 124. Autrement dit, les barreaux magnétiques sont angulairement espacés le long d'un pourtour circulaire entourant l'arbre 114. De manière plus précise, chacun des barreaux magnétiques 200 est logé dans un perçage axial 210 réalisé dans la cage porte joint 128, ledit perçage 210 débouchant uniquement du côté de la cage 128 opposée à l'enceinte 117, c'est-à-dire en l'espèce vers l'extérieur du turbomoteur. Grâce à la présente invention, il est donc particulièrement aisé d'assurer le remplacement de tels barreaux magnétiques le cas échéant.

Préférentiellement, le joint magnétique 110 comporte en outre un anneau de carbone 140 similaire à celui décrit dans le premier mode de réalisation à ceci près qu'il est fixé sur la surface annulaire 138 de la seconde partie de joint 124.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Joint d'étanchéité magnétique (10, 110) destiné à être disposé entre un bâti (12, 112) et un arbre (14, 114) rotatif dans ledit bâti, ledit joint comportant une première partie de joint (18, 118) formant bague destinée à être montée sur l'arbre et une seconde partie de joint (24, 124) destinée à être montée sur le bâti coaxialement en face de la première partie, le joint magnétique comportant en outre des moyens magnétiques arrangés de telle sorte que, lorsque le joint est monté, les deux parties de joint sont attirées l'une vers l'autre, ledit joint étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour former une fine couche d'air (42, 142) entre les deux parties de joint lors de la rotation de la première partie de joint par rapport à la seconde partie de joint.

2. Joint magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour former une fine couche d'air (42, 142) entre les deux parties de joint (18, 24, 118, 124) sont aptes à donner un mouvement rotationnel à la fine couche d'air.

3. Joint magnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour former une fine couche d'air (42, 142) entre les deux parties de joint comportent une pluralité de rainures (42, 142) formées dans une surface annulaire (38, 138) de l'une des deux parties de joint, ladite surface annulaire faisant face à l'autre partie de joint.

4. Joint magnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les rainures (42) sont formées dans une surface annulaire (38) de la seconde partie de joint (24).

5. Joint magnétique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les rainures (42, 142) sont spiroïdales.

6. Joint magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent des éléments aimantés (200) disposés dans la seconde partie de joint (124) et un matériau apte à être attiré par une force magnétique, qui est disposé dans la première partie de joint (118).

7. Joint magnétique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments aimantés comportent une pluralité de barreaux (200) magnétiques disposés le long d'une circonférence s'étendant dans un plan orthogonal à un axe de la seconde partie de joint (124).

8. Joint magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un anneau de carbone (40, 140) fixé sur une surface annulaire de l'une des deux parties de joint.

9. Joint magnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'anneau de carbone (140) est fixé sur une surface annulaire de la seconde partie de joint (124).

10. Joint magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la seconde partie de joint (124) est fixée solidairement au bâti. 25

11.Turbomoteur d'hélicoptère comportant un joint magnétique (10, 110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.

12.Turbomachine comportant un joint magnétique (10, 110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.20