FR3029981B1 - Ensemble a joint axial asservi - Google Patents

Abstract

Un joint axial asservi, comprenant un corps mobile (6) à éloignement variable d'une pièce en regard (2), est soumis à un équilibre stable des forces de pression en tolérant un jeu (5) et un débit de fuite réduit entre eux. Il comprend une lame flexible (14) pour régler automatiquement le jeu à une faible valeur invariable. Une épingle (18) souple ramène par ailleurs le joint (6) en position écartée en régime statique.

Description

ENSEMBLE A JOINT AXIAL ASSERVI

DESCRIPTION

Le sujet de l'invention est un ensemble à joint axial asservi.

De tels joints sont décrits dans les brevets EP 1306 591 A et FR 2 961 283 A entre autres. Ils font partie des joints à labyrinthe couramment utilisés dans de nombreux domaines techniques, entre autres les turbomachines, comme joints dynamiques entre un rotor et un stator, ou plus généralement deux pièces en mouvement relatif l'une devant l'autre. Ils comprennent deux éléments d'étanchéité en regard, qui imposent aux écoulements de fluides un trajet sinueux et resserré entre eux, et qui est donc rendu difficile. Les éléments du joint ne sont normalement pas en contact, ce qui leur donne une durée d'utilisation très longue. Leur inconvénient est qu'un débit de fuite à travers eux est toléré, bien qu'on cherche à le diminuer autant que possible.

Parmi les joints à labyrinthe, les joints axiaux asservis comprennent un corps mobile axialement sur une des pièces, et dont le mouvement fait varier le jeu à travers le joint. Ces mouvements dépendent d'une résultante des forces de pression s'exerçant sur le corps mobile. En effet, le corps mobile délimite un passage à labyrinthe comprenant une chambre intermédiaire aux deux enceintes séparées par le joint, où s'instaure une pression intermédiaire à celle des enceintes, au moyen de reliefs présents sur le corps mobile ou sur la pièce en regard. Les mouvements du corps mobile modifient le resserrement procuré par le labyrinthe et la valeur de la pression dans la chambre intermédiaire, qui tend vers la pression de l'enceinte à plus haute pression quand le passage est resserré, et vers la pression de l'enceinte à plus basse pression quand il est large. Comme le corps mobile possède des surfaces donnant sur chacune des enceintes et sur la chambre intermédiaire, il est possible de le concevoir de façon que la résultante des forces de pression du gaz s'annule pour une valeur déterminée de la pression de la chambre intermédiaire, acquise à une position où le jeu entre les enceintes que le corps mobile laisse subsister est petit, et le débit de fluide faible. Cet équilibre est stable : un déplacement accidentel du corps mobile a pour conséquence de produire sur lui une résultante non nulle des forces de pression, qui le ramène à sa position d'équilibre. Le jeu est donc parfaitement maîtrisé.

Il faut toutefois se prémunir contre les contacts accidentels qui pourraient malgré tout advenir entre le corps mobile et la pièce en regard en cas de perturbation de l'équilibre, puisque l'usure, même faible, consécutive à de tels frottements pourrait altérer le fonctionnement futur du joint, dont l'équilibre est délicat. On a déjà eu l'idée de pourvoir le corps mobile d'une butée rigide qui touche la pièce en regard avant les autres portions du corps mobile, et notamment les reliefs du labyrinthe. Comme la butée s'étend sur une petite superficie alors que les reliefs du labyrinthe s'étendent sur un tour complet, on peut penser qu'un contact de la butée sur la pièce en regard mènera à une usure beaucoup moins dommageable du joint ; mais on peut vouloir l'éviter malgré tout.

Dans une autre conception, la butée rigide est remplacée par une butée souple composée de poils de brosse. Les poils de brosse fléchissent dès qu'ils touchent la pièce en regard et ne produisent pas d'usure sur elle. Leur rigidité est faible, mais comme les contacts accidentels sont plus susceptibles de survenir au démarrage de la machine, quand les forces de pression sont faibles aussi, même cette faible rigidité suffit à empêcher le contact avec le reste du corps. Mais étant sujets à l'usure, les poils de brosse ne sont pas aptes à résister et à continuer d'assurer leur fonction de séparation des éléments du labyrinthe après des frottements répétés.

Un joint axial asservi perfectionné est donc souhaité pour interdire de façon fiable et durable les contacts des éléments du labyrinthe, notamment au démarrage de la machine, tout en imposant un débit de fuite réduit pendant le service ordinaire de la machine.

Sous une forme générale, l'invention concerne un joint axial asservi du genre déjà mentionné, où un des reliefs du labyrinthe est un ressort à lame flexible élastique, fléchissant en fonction de la pression à laquelle il est soumis.

La différence de pression entre les deux enceintes reste suffisante pour imposer un débit de fuite en fléchissant le ressort à lame, qui reste donc toujours à distance de la pièce en regard, quoique cette distance puisse être faible, ce qui a l'avantage de maintenir le débit de fuite à une faible valeur.

Dans une conception, le ressort à lame est encastré à une première extrémité sur le corps mobile, libre à une seconde extrémité, et il comprend une portion en protubérance en direction axiale, dirigée vers une face d'étanchéité en regard de la seconde pièce d'étanchéité.

Le problème de maintenir le corps mobile à distance de la pièce en regard même en l'absence de forces de pression peut être résolu, selon l'invention, en le reliant à la première pièce par une épingle élastique rappelant le corps mobile à une position éloignée de la seconde pièce, avec une force négligeable par rapport aux forces de pression qu'on observe pendant un service habituel de l'ensemble. L'épingle élastique n'a presque pas d'influence sur l'équilibre statique du corps mobile en service normal et ne perturbe donc pas le fonctionnement normal du joint : non seulement elle est peu rigide, mais elle ne modifie pas les forces de pression qui s'exercent sur le corps flottant, puisque, étant filiforme, elle ne couvre de façon étanche aucune surface du corps flottant. D'autres aspects de l'invention sont une turbomachine comprenant ce joint, et un aéronef comprenant cette turbomachine.

Un mode de réalisation préféré de l'invention sera maintenant décrit en liaison aux figures suivantes : -la figure 1 représente le joint à l'état d'ouverture, -la figure 2 le joint à l'état de fonctionnement, -et la figure 3 illustre l'environnement du joint.

On se reporte à la figure 1. La machine comprend un stator 1 et un rotor 2 en regard, qui séparent une enceinte à haute pression 3 d'une enceinte à plus basse pression 4, un jeu 5 subsistant néanmoins entre eux. Le rotor 2 tourne autour d'un axe XX. Le joint axial asservi comporte principalement un corps 6 mobile en translation, qui comprend une bague 7 de glissement dans la direction de l'axe XX le long du stator 1, une couronne 8 plane située en regard d'une collerette 9, également plane, du rotor 2, et enfin un rebord 10 entourant la collerette 9.

Un élément d'étanchéité secondaire 11 est établi entre la collerette 9 et la bordure 10 et consiste en un joint à labyrinthe formé par au moins une léchette 20, au bout de la collerette 9, et une couche d'abradable 21 d'épaisseur variable sur la bordure 10. Cette disposition lui permet de s'ouvrir et de faire passer plus d'air quand le corps 6 et la bague 7 s'approchent de la collerette 9 (état de la figure 2). En complément du dispositif d'étanchéité principal qu'on va maintenant décrire, le joint d'étanchéité secondaire 11 réduit le risque de collision accidentelle du corps 6 sur la collerette 9.

Un joint à labyrinthe principal est formé entre la collerette 9 et la couronne 8 (en aval de l'élément d'étanchéité secondaire 11 selon le débit de fuite de l'enceinte à haute pression 3 vers l'enceinte à basse pression 4) par des reliefs présents sur celle-ci. Ils consistent en une léchette 12 dirigée vers une glace 13 (surface polie et plane), normale à l'axe XX, de la collerette 9, et une lame flexible 14 comprenant une première extrémité 15 encastrée sur la couronne 8 non loin de la léchette 12, une protubérance 16 saillant dans la direction de l'axe XX vers la glace 13, et une seconde extrémité 17, libre et recourbée vers l'accès à la seconde enceinte 4. L'invention comprend encore, dans ce mode de réalisation, un ressort 18 en épingle dont les extrémités sont reliées respectivement au stator 1 et à la couronne 8 du corps 6, du côté de l'enceinte à haute pression 3. L'extrémité reliée au stator 1 est une collerette 22 plate et circulaire, alors que la partie principale du ressort 18 est composée d'épingles 19 filiformes et séparées, de faible extension angulaire autour de l'axe XX, et laissant donc la face extérieure 23 de la bague 7 et la face amont 24 de la couronne 8 exposées à la haute pression. Les épingles 19 sont de plus courbées en boucle, en formant des lobes de grande hauteur vers l'extérieur. Cette disposition leur donne une rigidité réduite. Le nombre d'épingles 19 est quelconque, mais un petit nombre, réparti régulièrement sur la circonférence, est préféré pour éviter les risques d'arc-boutement du corps 6.

La figure 3 illustre une application concrète du joint. Il est présent dans une turbine à basse pression d'une turbomachine, entre une enceinte à haute pression 3 et une enceinte à basse pression 4 entourées par la veine d'écoulement 30, où des étages circulaires d'aubes fixes 31 et d'aubes mobiles 32 du rotor 2 alternent. Les aubes mobiles 32 sont montées sur des disques 33, qui s'étendent vers l'axe XX de la machine. Les disques 33 solidaires du rotor 2 sont contenus dans une cavité du rotor 2 qui coïncide avec l'enceinte à haute pression 3. Les parois de l'enceinte à haute pression 3 sont constituées du rotor 2 et du stator 1 et il existe des fuites entre ces deux pièces tournant l'une par rapport à l'autre. Un débit d'air de ventilation, prélevé des compresseurs de la turbomachine, circule à travers l'enceinte à haute pression 3 à une pression supérieure à celle de la veine d'écoulement 30 pour limiter les fuites de l'air de ladite veine d'écoulement 30 vers la cavité de l'enceinte à haute pression 3. Cet air sert également à la ventilation des disques 33 pour les rafraîchir, ainsi que les aubes fixes 31. L'enceinte à basse pression 4 communique avec l'enceinte à haute pression 3 à l'intersection entre le stator 1 et le rotor 2. Elle communique aussi avec des enceintes centrales, proche de l'axe XX et contenant des roulements 35, qui doivent être lubrifiés, soutenant un arbre de rotor 36 par une nervure 37 du stator 1. Le joint à labyrinthe conforme à l'invention est donc disposé à ladite intersection, au concours de deux nervures 38 et 39 du stator 1 et du rotor 2. Le joint à labyrinthe contribue à isoler la cavité centrale contenant les roulements 35 pour confiner l'huile de lubrification, afin d'éviter qu'elle ne parvienne à la veine d'écoulement 30 à haute température, où elle produirait des incendies. L'utilisation d'un joint à labyrinthe conforme à l'invention se justifie par la volonté de conserver le plus grand débit possible de l'enceinte à haute pression 3 pour la ventilation des disques 33.

Le fonctionnement de l'invention sera maintenant décrit d'après les principales situations. Au démarrage de la machine, les enceintes 3 et 4 ne sont soumises à aucune pression notable, et le corps 6 est alors soumis essentiellement à la force de rappel du ressort en épingle 18, qui le rapproche de l'amont de la machine (à gauche sur les figures 1 et 2) et maintient donc un écartement important entre la couronne 8 et la collerette 9, c'est-à-dire une position analogue à celle de la figure 1 : un frottement accidentel de la léchette 12 sur la glace 13, qui serait causé par un déplacement accidentel du corps 6, qui serait possible si le corps 6 n'était pas rappelé par le ressort en épingle 18, est ainsi évité.

Quand les pressions s'instaurent dans les enceintes 3 et 4 pendant le service de la machine, l'effet du ressort à épingle 18 devient négligeable, puisque sa raideur est faible, et l'équilibre du corps 6 dépend essentiellement des forces de pression qu'il reçoit. Comme le mouvement du corps 6 est possible seulement dans la direction de l'axe longitudinal XX, les forces principales à considérer sont celles qui s'exercent sur les surfaces dirigées dans cette direction, c'est-à-dire les surfaces s'étendant selon le rayon de la machine. La haute pression de l'enceinte 3 s'exerce principalement sur la face arrière 24 de la couronne 8, à l'extérieur de la bague 7, et s'exerce donc vers l'aval de la machine (à droite sur les figures). La basse pression de l'enceinte 4 s'exerce essentiellement sur les surfaces amont et aval de la partie 25 de la couronne 8, à l'intérieur de la bague 7, alors que le volume délimité par l'élément d'étanchéité secondaire 11, le corps 6, la collerette 9 et la lame flexible 14 (de la première extrémité 15 à la protubérances 16) forme une chambre intermédiaire 26, dont la pression est intermédiaire à celle des enceintes 3 et 4 entre lesquelles elle s'étend, en fonction des pertes de charge produites à travers l'élément d'étanchéité secondaire 11, la léchette 12 et la lame flexible 14 par le débit de fuite allant de l'enceinte à haute pression 3 à l'enceinte à basse pression 4. De plus, des perçages calibrés 27, de petit diamètre, traversent la couronne 8 entre l'enceinte à haute pression 3 et la chambre intermédiaire 26 et favorisent l'instauration d'une pression proche de la haute pression en conditions quasi statiques, quand le débit de fuite est faible, le corps 6 étant proche de la glace 13. Dans la situation représentée à la figure 1, où le corps 6 est éloigné de la collerette 7, cette pression intermédiaire dans la chambre 26 est peu différente de la basse pression dans l'enceinte 4, puisque la communication avec cette dernière est beaucoup plus facile. La force produite dans la chambre intermédiaire 26 sur le corps 6, et qui est la force principale dirigée vers l'amont, est donc insuffisante à équilibrer la force dirigée vers l'aval, s'exerçant principalement sur la face arrière 24 : le corps 6 subit une résultante de force dirigée vers l'aval et se déplace vers la collerette 9.

Si toutefois le corps 6 parvient très près de la collerette 26 comme l'illustre la figure 2, la léchette 12 et la protubérance 16 étant presque tangentes à la glace 13, une situation opposée apparaît : la pression dans la chambre intermédiaire 26 est maintenant proche de la haute pression de l'enceinte 3, puisque les communications avec elle sont plus faciles (par les perçages 27 calibrés et l'élément d'étanchéité additionnel 11, qui laisse entrer plus facilement le gaz de cette enceinte 3), de sorte que la résultante des force de pression est maintenant dirigée vers l'amont et éloigne le corps 6 de la collerette 9.

Comme la pression dans la chambre intermédiaire 26 varie régulièrement en fonction de la position du corps 6, il existe une position d'équilibre stable, où la léchette 12 et la protubérance 16 sont proches de la collerette 26, tout en laissant un jeu suffisant avec elle, par lequel passe le débit de fuite. Les perturbations de position du corps 6 sont contrecarrées par l'apparition de résultantes de force qui le ramènent à la position d'équilibre.

En utilisant la lame flexible 14, une réduction importante du débit de fuite est possible, grâce à la souplesse de celle-ci. En effet, le joint, et notamment le corps 6, la léchette 12 et la lame flexible 14, sont conçus de manière qu'à la position d'équilibre, le jeu le plus étroit devant la glace 13 existe face à la protubérance 16, ce qui est bien visible à la figure 2. Ce jeu peut être choisi à une valeur très faible, puisque les collisions de la lame flexible 14 sur la glace 13 ne sont pas à redouter. En effet, si une perturbation apparaît et rapproche encore le corps 6 de la collerette 9, l'augmentation de la pression dans la chambre intermédiaire 26, qui apparaît alors ainsi qu'on l'a vu, fléchit davantage la lame flexible 14, aplatit la protubérance 16 en la rapprochant de la couronne 8, et continue donc à la maintenir à distance de la collerette 9.

Cette invention offre donc un joint axial asservi dont l'usure est improbable et qui a donc une longue durée de vie, tout en permettant malgré cela un débit de fuite réduit grâce à un jeu diminué.

Claims (4)

1. revendications l I " cerpr«B,mr un*- p-^mtère pmre (B un« \ecende pièce y" ta première pièce et ta seconde pièce-étant en mouvement relatif en rotation autour d'un axe- (XX), séparant ensemble une première enceinte (.3) d'une seconde enceinte '(4) et étant distantes d'un jeu. '(5); l'ensemble comprenant encore un corps mobile (6), ledit corps mobile (6.) étant mobile sur la première pièce U) en translation dans la direction de Taxe (XX) pendant le fonctionnement de l'ensemble, le corps mobile et/ou la seconde pièce (2) étant munis de: reliefs de labyrinthe (11, 12, 14), le corps mobile, la seconde pièce et lés reliefs de labyrinthe délimitant cme chambre Intermédiaire (26) par laquelle la première enceinte et la seconde enceinte commaniquéôt, le corps mobile étant exposé a un contenu gazeux de la .première enceinte, de la seconde enceinte et de la chambre intermédiaire et équilibré dans la direction de l'axe (XX) essentiellement par des forces de pression provenant du contenu gazeux, en laissant un jeu de communication de la première enceinte à la seconde enceinte, caractérisé en ce qu'un des reliefs de labyrinthe (14) est un ressort à lame flexible eiasflqu®, fléchissant en fonction de ladite pression.
2. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que les reliefs du joint à labyrinthe sont situés sur ie corps mobile, ét font face à une face plane (13) de ia seconde pièce (2). 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le ressort à lame est encastre à une première extrémité (15) sur le corps mobile, et comprend .une portion en protubérance (16) en direction de l'axe: (XX), dirigée vers une face d'étanchéité (13) de ta seconde pièce qui est normale à l'axe, et -une seconde extrémité (17), qui est libre. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première extrémité est disposée dans la chambre intermédiaire (26), et là seconde extrémité s’étend vers le seconde enceinte (4). qui est une enceinte à plus basse pression que la première enceinte (3).
3. 5. Ensemble selon l'une quelconque des re-venq îcations 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un élément d'étanchéité -secondaire (11) en amont du joint axial conçu pour s’ouvrir davantage quand lé corps mobile (6) s’approche de la. seconde pièce (2). 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend des perçages calibrés (27) à travers le corps mobile (6j, faisant communiquer h chambre intenriédlairé (26) avec la première enceinte (3). 7. Ensemble selon i'une quelconque des revendications 1 à 6Z caractérisé en ce que le corps mobile (6) est relié a la première pièce. (1) par au moins une. épingle élastique (18) rappelant le corps mobile à une position écartée de la seconde pièce (2), avec une force .négligeable par rapport aux forces de pression qu’on observe pendant, un service habituel de l’ensemble, §, Ensemble selon la revendication 7., caractérisé en eu que l’épingle s’étend avec une extension angulaire limitée,
4. 9, Turbomachine, caractérisée, en ce qu'elle comprend un ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes entre une enceinte (3) entourée par une veine d’écoulement (30) de gaz, dans laquelle s'étendent des disques (33) de rotor et qui est parcourue-.par un débit d'air de ventilation, .et une enceinte (4) centrale de la turbomachine qui communique avec des enceintes contenant au moins un: roulement (35), IG, Aéronef, caractérisé èn ce qu'il comprend une turbomachine -selon la revendication 9.