FR2982801A1

FR2982801A1 - Systeme de serrage axial d'un joint carbone, piece de serrage correspondante et turbomachine comprenant un tel systeme de serrage.

Info

Publication number: FR2982801A1
Application number: FR1160712A
Authority: FR
Inventors: Cecile Marie Emilienne Alirot; Fabrice Marcel Noel Garin; Maurice Guy Judet
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-05-24
Anticipated expiration: 2031-11-23
Also published as: FR2982801B1

Abstract

Selon l'invention, le système de serrage axial (12) d'un joint carbone (10) monté sur le rotor (11) d'une turbomachine, qui comprend une bague de palier (9) entourant ledit rotor (11), deux bagues de maintien (14, 15) qui entourent latéralement ledit joint (10), une entretoise annulaire (13) intercalée entre le joint (10) et le rotor (11), et des moyens de serrage du joint (10), est remarquable en ce qu'il comporte en outre une pièce de serrage (18) comprenant une zone annulaire déformable axialement (19) qui se prolonge latéralement de chaque côté par un premier et un second manchon rigide (20, 21) destinés à être mis en appui, lors du serrage, respectivement contre la bague de palier (9) et contre l'une des deux bagues de maintien (15).

Description

Système de serrage axial d'un joint carbone, pièce de serrage correspondante et turbomachine comprenant un tel système de serrage. La présente invention concerne un système de serrage axial d'un joint carbone, 5 une pièce de serrage correspondante ainsi qu'une turbomachine comprenant un tel système de serrage. Quoique non exclusivement, la présente invention est particulièrement bien adaptée aux problèmes de fixation d'un joint carbone d'une turbomachine, notamment un turbomoteur pour aéronef 10 Un tel turbomoteur comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. A 15 chaque compresseur peut correspondre une turbine, les deux étant reliés par une pièce, formant ainsi, par exemple, un corps haute pression et un corps basse pression. Le turbomoteur présente à l'amont et à l'aval des enceintes de paliers contenant des organes de type roulements et engrenages lubrifiés par de l'huile. L'huile, projetée par ces pièces en rotation, forme un brouillard (ou suspension) de gouttelettes 20 en suspension dans le volume correspondant des enceintes de paliers (désignés par la suite enceintes d'huile dans la mesure où elles contiennent une suspension de gouttelettes d'huile). Les enceintes amont et aval sont formées et délimitées par des parois de la structure fixe du turbomoteur, mais aussi par des parois d'éléments tournants. En particulier, l'étanchéité d'une enceinte d'huile comprenant un palier inter- 25 arbre, agencé entre le corps haute pression et le corps basse pression, est réalisée, de façon connue, à l'aide d'au moins un joint carbone monté sur le corps haute pression. Une entretoise annulaire est intercalée entre le joint carbone et le corps haute pression pour éviter un serrage direct dudit joint. En outre, des bagues de maintien sont disposées de part et d'autre de l'entretoise pour s'appliquer, lors du serrage, contre les 30 flancs annulaires de cette dernière et du joint carbone.

On sait également que le serrage d'un tel joint carbone peut mettre en oeuvre un épaulement annulaire saillant formé sur le corps haute pression, contre lequel est appliquée une bague de palier associée au palier inter-arbre afin de la bloquer axiale-ment dans un sens. L'ensemble formé par le joint carbone, l'entretoise et les deux bagues de maintien est positionné contre la bague de palier. Pour réaliser le serrage du joint, un écrou de serrage est vissé sur un filetage correspondant du corps haute pression, pour s'appliquer contre une des deux bagues de maintien et exercer ainsi une force de serrage sur l'ensemble formé (la bague de palier étant maintenu bloquée par l'épaulement annulaire).

Cependant, bien qu'un tel serrage permette de serrer simultanément le joint carbone et la bague de palier, l'intensité du serrage appliqué à ces derniers est identique. Or, le joint carbone et la bague de palier ne nécessitent pas nécessairement le même serrage, de sorte que, dans ce dernier cas, l'intensité du serrage des flancs du joint carbone n'est pas maîtrisée.

Aussi, pour éviter de serrer à l'identique le joint carbone et la bague de palier, il est connu : soit d'utiliser un épaulement annulaire saillant sur le corps haute pression et un écrou de serrage spécifique, entre lesquels est intercalé et serré l'ensemble formé par le joint carbone, l'entretoise et les deux bagues de maintien. Cependant, bien que le serrage du joint soit dissocié et indépendant de celui de la bague de palier, l'utilisation d'un écrou spécifique, dédié uniquement au serrage du joint carbone, requiert la formation d'un filetage supplémentaire sur le corps haute pression, ce qui rend cette solution onéreuse ; soit d'intercaler au moins une rondelle Belleville entre la bague de palier et la bague de maintien correspondante du joint carbone. Toutefois, la rondelle Belle- ville se présentant sous la forme d'un anneau tronconique, seule une petite partie de la rondelle (correspondant à l'extrémité de sa partie interne de plus faible diamètre) s'applique contre la bague de maintien du joint associée, de sorte que l'effort exercé par cette dernière sur les flancs annulaires de l'entretoise en regard n'est pas homogène. Cela se traduit fréquemment par une déviation du joint carbone plus ou moins importante, une fois le serrage effectué. En outre, il est parfois nécessaire de mettre en place plusieurs rondelles pour obtenir la souplesse recherchée, ce qui s'avère généralement incompatible avec un encombrement disponible réduit. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et, notamment, de permettre un serrage contrôlé du joint carbone pour prévenir tout effort axial trop important sur les flancs de celui-ci. A cette fin, selon l'invention, le système de serrage axial d'un joint carbone monté sur le rotor d'une turbomachine, ledit système de serrage comprenant : une bague de palier entourant ledit rotor et disposée au voisinage dudit joint ; une première et une seconde bagues de maintien qui entourent latéralement ledit joint ; une entretoise annulaire intercalée entre le joint carbone et le rotor pour permettre le maintien du joint entre les première et seconde bagues de maintien réparties de part et d'autre de ladite entretoise ; et des moyens de serrage du joint, est remarquable par le fait qu'il comporte en outre une pièce de serrage comprenant une zone annulaire déformable axialement qui se prolonge latéralement de chaque côté par un premier et un second manchon rigide destinés à être mis en appui, lors du serrage, respectivement contre la bague de palier et contre la première bague de maintien.

Ainsi, grâce à la pièce de serrage de l'invention, on peut effectuer un serrage souple d'un joint carbone d'une enceinte d'huile de turbomachine. En effet, la zone déformable de la pièce de serrage présente une aptitude à se déformer axialement lorsqu'elle est comprimée, par exemple par une bague de palier. Ainsi, le serrage souple d'un joint carbone, rendu possible par la mise en oeuvre de la pièce de serrage de l'invention, permet d'absorber les dilatations axiales des éléments participant au serrage du joint, lors des différentes phases de fonctionnement de la turbomachine, et d'empêcher une déviation de celui-ci (par exemple par un décalage d'une de ses bagues de maintien). On garantit une application des bagues de maintien au droit de l'entretoise du joint carbone, notamment grâce aux manchons rigides, pour prévenir tout basculement du joint. On assure ainsi qu'il existe un jeu constant, ou quasi cons- tant, entre la surface annulaire active du joint carbone et la pièce en regard, quelles que soient les phases de fonctionnement de la turbomachine. De préférence, les moyens de serrage comprennent : un épaulement annulaire externe contre lequel est apte à venir en butée la seconde bague de maintien ; un écrou de serrage apte à être vissé sur ledit rotor pour venir contre la bague de palier et la pousser axialement. Dans un mode de réalisation conforme à l'invention, la bague de palier comprend un épaulement annulaire interne destiné à s'appliquer contre un décrochement annulaire du rotor. Ainsi, lors du serrage, l'épaulement annulaire interne se trouve intercalé entre le décrochement et l'écrou de serrage. La progression axiale de la bague de palier, dans le sens du vissage de l'écrou lors du serrage, est donc limitée par le décrochement annulaire, ce qui, en conséquence, limite également la déformation de la zone déformable de la pièce de serrage. Ainsi, en définissant précisément les dimensions de la pièce de serrage, l'intensité du serrage appliqué au joint carbone peut être déterminée de façon précise et être distincte de celle appliquée sur la bague de palier, qui participe néanmoins au serrage. Par ailleurs, la présente invention concerne également une pièce pour un système de serrage axial d'un joint carbone tel que décrit précédemment, qui est remar- quable par le fait qu'elle comporte une zone annulaire déformable axialement qui se prolonge latéralement de chaque côté par un premier et un second manchon rigide destinés à être mis en appui, lors du serrage, respectivement contre la bague de palier et contre l'une des deux bagues de maintien. Dans un mode de réalisation conforme à l'invention, ladite zone annulaire dé- formable comprend au moins une nervure creuse, dont le fond est de préférence sail- lant vers l'extérieur. Ladite zone déformable comporte avantageusement des ouvertures qui permettent de réduire sa rigidité et de faciliter la circulation d'huile au sein de l'enceinte d'huile en évitant, ou limitant, tout point d'accumulation d'huile.

En outre, lesdites ouvertures sont avantageusement ménagées dans le fond de ladite nervure creuse.

Lesdites ouvertures sont, de préférence, régulièrement réparties le long de la nervure creuse. De façon avantageuse, le premier manchon d'appui comporte une pluralité de doigts destinés à coopérer avec des doigts complémentaires appartenant au rotor, pour éviter une rotation de ladite pièce de serrage par rapport audit rotor, l'extrémité des doigts étant apte à venir en appui contre ladite bague de palier. De plus, le second manchon présente de préférence une face d'appui annulaire, qui est orthogonale à l'axe longitudinal du rotor et qui est apte à venir au contact d'une face correspondante de la bague de maintien en regard. Cela permet d'assurer un serrage au droit des flancs de l'entretoise du joint carbone, réduisant le risque de basculement des bagues de maintien de ce dernier. De plus, la présente invention concerne une turbomachine, notamment un turbomoteur d'aéronef, qui comprend au moins un système de serrage d'un joint carbone du type de celui décrit ci-dessus.

En outre, le rotor correspond de préférence au corps associé à une turbine haute pression. En particulier, le palier associé à la bague de palier peut être défini entre le corps de la turbine haute pression et un corps associé à une turbine basse pression. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments sem- blables. La figure 1 montre de façon schématique, dans une coupe axiale partielle, une enceinte d'huile d'un turbomoteur d'aéronef, dont l'étanchéité est assurée au moyen d'un joint carbone serré par un système de serrage conforme à l'invention.

La figure 2 représente, dans une vue schématique en perspective, le système de serrage de la figure 1. La figure 3 est un vue en perspective d'une pièce déformable, conforme à l'invention, appartenant au système de serrage de la figure 1. Sur la figure 1, on a représenté, de façon schématique, une enceinte d'huile 1 d'un turbomoteur d'aéronef 2 conforme à l'invention.

Le turbomoteur 2 comporte, de façon connue, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression, une turbine basse pression et une tuyère d'échappement. Le compresseur haute pression et la turbine haute pression sont liés l'un à l'autre par un tam- bour se prolongeant vers l'amont par une enveloppe et forment ensemble un corps haute pression 5. Le compresseur basse pression et la turbine basse pression sont reliés par un arbre basse pression et forment avec lui un corps basse pression 7. Le turboréacteur 2 comporte des organes statiques (ou fixes) et des organes tournants, formant les différents éléments fonctionnels ci-dessus, de manière connue.

Le turboréacteur 2 s'étend globalement suivant un axe L-L qui est l'axe de rota- tion de ses organes tournants et en particulier l'axe de l'arbre basse pression et de l'enveloppe. Dans la suite de la description, les notions de longitudinal, radial, interne ou externe sont relatives à cet axe L-L. Le turboréacteur 2 présente à l'amont et à l'aval des enceintes d'huile (ou de paliers), dont l'enceinte d'huile aval 1 illustrée sur la figure 1 qui comprend un palier 8 équipé d'une bague de palier 9, pour assurer la liaison rotative entre le corps haute pression 5 et le corps basse pression 7. Par la suite, l'invention va être décrite, à titre d'exemple illustratif, en relation avec l'enceinte d'huile 1, mais il va de soi qu'elle s'applique également aux autres en- ceintes amont ou aval et plus généralement à toute autre enceinte contenant ou logeant des organes avec une suspension d'huile pour leur lubrification. L'enceinte d'huile 1 définit un volume annulaire intérieur V1 par des parois d'organes fixes et d'organes tournants. Elle est notamment délimitée, du côté interne, par une portion du corps haute pression 5 et, du côté externe, par une portion du corps basse pression 7 (partiellement représenté) solidaire de l'arbre basse pression. En outre, un volume annulaire V2, agencé à l'extérieur de l'enceinte 1 du côté amont de celle-ci, est également défini par une portion du corps haute pression 5, du côté interne et aval, et par une portion du corps basse pression 7, du côté aval. Comme le montrent les figures 1 et 2, pour assurer l'étanchéité à l'huile entre les deux volumes annulaires V1 et V2 et éviter que de l'huile (permettant la lubrifica- tion des paliers) ne vienne au contact des pièces chaudes, le turbomoteur 2 comprend un joint carbone annulaire 10 monté sur le tourillon 11 du corps haute pression 5 pour être disposé entre ce dernier et le corps basse pression 7. Selon l'invention, le joint carbone 10 est maintenu serré en position par l'intermédiaire d'un système de serrage 12 qui comporte : une entretoise annulaire 13, intercalée entre le joint 10 et le tourillon 11; une paire de bagues de maintien amont 14 et aval 15 qui entourent latéralement le joint 10 pour l'enserrer avec l'entretoise 13 ; la bague de palier 9 qui est agencée sur le tourillon 11, dans un voisinage aval du joint carbone 10 ; un épaulement annulaire 16 saillant vers l'extérieur, façonné sur le tourillon 11 à l'amont du joint carbone 10 et de la bague de maintien amont 14 pour laquelle il sert de butée ; et un écrou de serrage 17 destiné à s'appliquer contre la bague de palier 9. L'écrou de serrage 17 peut être vissé sur un filetage correspondant (non représenté) pratiqué sur le tourillon 11 du corps haute pression 5. En outre, le système de serrage 12 de l'invention comprend une pièce de serrage supplémentaire 18, destinée à être montée sur le tourillon 11 entre la bague de palier 9 et la bague de maintien aval 15. La pièce de serrage 18 est avantageusement fabriquée dans un alliage Nickel-Chrome (par exemple de l'INCONEL 718, marque déposée). En particulier, comme le montrent les figures 1 à 3, la pièce de serrage 18 comporte une zone annulaire déformable 19 qui se prolonge latéralement de chaque côté par un premier et un second manchon rigide 20 et 21 destinés à être mis en appui, lors du serrage, respectivement contre la bague de palier 9 et contre la bague de main- tien aval 15. Ainsi, dans l'exemple de réalisation des figures 1 et 2, l'épaulement annulaire saillant 16, la bague de maintien amont 14, l'entretoise 13, la bague de maintien aval 15, la pièce de serrage 18, la bague de palier 9 et l'écrou 17 sont respectivement disposés dans cet ordre, depuis l'amont vers l'aval.

Par ailleurs, la zone annulaire deformable 19 de la pièce 18 se présente sous la forme d'une nervure creuse, dont le fond 19A est saillant vers l'extérieur et dont l'ouverture interne 19B est orientée vers le tourillon 11. Ainsi, la géométrie de la zone deformable 19 permet une déformation axiale contrôlée de la pièce de serrage 18.

En outre, comme le montrent les figures 2 et 3, la nervure creuse 19 comporte une pluralité d'ouvertures 22 qui sont régulièrement réparties le long de sa circonférence et qui sont pratiquées dans le fond 19A de celle-ci. Ces ouvertures ont pour fonction, d'une part, de définir la rigidité de la nervure creuse 19 et ses paramètres de déformation et, d'autre part, d'améliorer la circulation de l'huile au sein du volume V1 est évitant toute accumulation et stagnation d'huile. De plus, le premier manchon d'appui 20 de la pièce 18 comporte une pluralité de doigts 23 destinés à coopérer avec des doigts complémentaires 24 disposés sur le tourillon 11 du corps haute pression 5, pour éviter la mise en rotation de la pièce 18 par rapport à ce dernier. En outre, la multitude de doigts permet de bénéficier de plu- sieurs positionnements angulaires possibles entre les deux pièces 18 et 11. Après ser- rage du joint 10 par le système 12, les extrémités longitudinales 23A des doigts 23 sont maintenues en appui contre la bague de palier 9. En variante, on pourrait également envisager de réaliser des doigts, non pas sur le corps haute pression, mais plutôt dans une portion annulaire de la bague de palier, sous réserve que celle-ci soit maintenue bloquée en rotation par rapport au corps haute pression par des moyens appropriés. Par ailleurs, le second manchon d'appui 21 de la pièce 18 présente une face d'appui annulaire 21A, orthogonale à l'axe longitudinal L-L, qui est apte à venir au contact d'une face annulaire plane correspondante 15A de la bague de maintien aval 15. Ainsi, le serrage réalisé se fait au droit de l'entretoise 13, et plus particulièrement de ses flancs annulaires, ce qui prévient tout basculement des bagues de maintien 14 et 15 du joint carbone 10. En outre, comme indiqué sur la figure 1, la bague de palier 9 peut comporter un épaulement annulaire interne 9A orienté vers l'axe L-L et destiné à venir en butée contre un décrochement annulaire 11A du tourillon 11 prévu à cet effet. Ainsi, lors du serrage, l'épaulement annulaire interne 9A se trouve intercalé entre le décrochement 11A, à l'amont, et l'écrou de serrage 17, à l'aval. La progression axiale vers l'amont de la bague de palier 9 lors du serrage est donc limitée par le décrochement annulaire 11A, ce qui, en conséquence, limite également la déformation de la zone déformable 19 de la pièce de serrage 18.

Ainsi, en définissant précisément les dimensions de la pièce de serrage 18 (et notamment de la zone déformable 19), l'intensité du serrage appliqué au joint carbone 10 peut être déterminée de façon précise et être distincte de celle appliquée sur la bague de palier 9, participant au serrage.

Claims

REVENDICATIONS1. Système de serrage axial d'un joint carbone (10) monté sur le rotor (11) d'une turbomachine (2), ledit système de serrage (12) comprenant : une bague de palier (9) entourant ledit rotor (11) et disposée au voisinage dudit joint (10) ; une première et une seconde bagues de maintien (14, 15) qui entourent latéralement ledit joint (10) ; une entretoise annulaire (13) intercalée entre le joint carbone (10) et le rotor (11) pour permettre le maintien du joint entre les première et seconde bagues de main- tien (14, 15) réparties de part et d'autre de ladite entretoise ; et des moyens de serrage du joint (10), caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une pièce de serrage (18) comprenant une zone annulaire déformable axialement (19) qui se prolonge latéralement de chaque côté par un premier et un second manchon rigide (20, 21) destinés à être mis en appui, lors du serrage, respectivement contre la bague de palier (9) et contre la première bague de maintien (15).
2. Système de serrage selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de serrage comprennent un épaulement annulaire externe (16) contre lequel est apte à venir en butée la seconde bague de maintien (14).
3. Système de serrage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens de serrage comprennent un écrou de serrage (17) apte à être vissé sur ledit rotor (11) pour venir contre la bague de palier (9) et la pousser axialement.
4. Système de serrage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la bague de palier (9) comprend un épaulement annulaire interne (9A) destiné à s'appliquer contre un décrochement annulaire (11A) du rotor (11).
5. Pièce pour un système de serrage axial d'un joint carbone tel que spécifié sous l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qu'elle comporte une zone annulaire déformable axialement (19) qui se prolonge latéralement de chaque côté par un premier et un second man-chon rigide (20, 21) destinés à être mis en appui, lors du serrage, respectivement contre la bague de palier (9) et contre l'une des deux bagues de maintien (15).
6. Pièce selon la revendication 5, dans laquelle ladite zone annulaire déformable (19) comprend au moins une nervure creuse.
7. Pièce selon la revendication 6, dans laquelle le fond (19A) de ladite zone annulaire déformable (19) est saillant vers l'extérieur.
8. Pièce selon l'une des revendications 5 à 7, dans laquelle ladite zone déformable (19) comporte des ouvertures (22).
9. Pièce selon la revendication 8 lorsqu'elle dépende de la revendication 6 ou 7, dans lequel lesdites ouvertures (22) sont ménagées dans le fond (19B) de ladite ner- vure creuse (19).
10. Pièce selon l'une des revendications 6 à 9, dans laquelle lesdites ouvertures (22) sont régulièrement réparties le long de la nervure creuse (19).
11. Pièce selon l'une des revendications 5 à 10, dans laquelle le premier man- chon d'appui (20) comporte une pluralité de doigts (23) destinés à coopérer avec des doigts complémentaires (24) appartenant au rotor (11), pour éviter une rotation de ladite pièce de serrage (18) par rapport audit rotor, l'extrémité (23A) des doigts étant apte à venir en appui contre ladite bague de palier (9).
12. Pièce selon l'une des revendications 5 à 11, dans laquelle le second man- chon (21) présente une face d'appui annulaire (21A), qui est orthogonale à l'axe longi- tudinal (L-L) du rotor (11) et qui est apte à venir au contact d'une face correspondante (15A) de la bague de maintien (14) en regard.
13. Turbomachine, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un système de serrage (12) d'un joint carbone (10) tel que spécifié sous l'une des revendications 1 à 4.
14. Turbomachine selon la revendication précédente, dans laquelle le rotor (11) correspond au corps associé à une turbine haute pression (5).
15. Turbomachine selon la revendication précédente, dans laquelle le palier (8) associé à la bague de palier (9) est défini entre le corps (5) de la turbine haute pression et un corps (7) associé à une turbine basse pression.