FR3071540B1 - Joint d'etancheite a labyrinthe pour une turbomachine d'aeronef - Google Patents

Joint d'etancheite a labyrinthe pour une turbomachine d'aeronef Download PDF

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Abstract

Joint d'étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, en particulier d'aéronef, comportant un élément de rotor (14) tournant autour d'un axe de rotation (A), et un élément de stator (16) s'étendant autour de l'élément de rotor (14), l'élément de rotor (14) comportant une série de léchette(s) (12) annulaire(s) s'étendant radialement vers l'extérieur et entourée par au moins un élément abradable (18), chaque léchette (12) comportant un sommet annulaire (12b) en regard dudit au moins un élément abradable (18) porté par l'élément de stator (16), caractérisé en ce qu'au moins une léchette (12) comprend un sommet annulaire (12b) ayant une gorge annulaire (20) qui débouche radialement vers l'extérieur.

Description

Joint d’étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine d’aéronef
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un joint d’étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, en particulier d’aéronef.
ETAT DE L’ART
Il est connu d’équiper une turbomachine de joints d’étanchéité à labyrinthe qui sont des joints d’étanchéité dont l’étanchéité dynamique est assurée par des léchettes tournantes. Comme cela est représenté à la figure 1, les léchettes 12 sont portées par un élément de rotor 14 de la turbomachine 10, qui tourne à l’intérieur d’un élément de stator 16 et sont entourées par des éléments abradables 18 tels que des blocs ou un revêtement de matière abradable portés par cet élément de stator 16.
Les éléments abradables 18 ont pour but de protéger les léchettes 12 des risques d’usure par contact avec l’élément de stator 16 qui les entoure. Les contacts avec les éléments abradables 18 peuvent être évités ou au contraire recherchés par exemple pour optimiser les jeux radiaux J autour des léchettes. Les types d’éléments abradables 18 et de léchettes 12 peuvent être adaptés en conséquence.
Cette technologie peut être utilisée pour assurer une étanchéité aux sommets des aubes d’une roue de rotor, ces aubes portant des léchettes annulaires, éventuellement sectorisées, qui sont entourées par des éléments abradables portés par un carter de stator (voir notamment FR-A1-3 001 759). Elle peut également être utilisée pour assurer une étanchéité entre une portion d’arbre ou de tourillon et un stator de la turbomachine. Le nombre et les dimensions des léchettes sont notamment fonction de l’espace radial disponible entre les éléments à étanchéifier.
En fonctionnement, comme cela est représenté aux figures 2 et 3, les léchettes 12 ont pour fonction de perturber le flux de gaz qui tente de s’écouler entre les éléments 14, 16 de l’amont vers l’aval, c'est-à-dire de gauche à droite dans les dessins. Cela crée des turbulences dans le flux de gaz qui génèrent des pertes de charge et améliorent ainsi l’étanchéité du joint.
Au niveau de chaque léchette 12 à franchir, le flux d’air est perturbé une première fois lorsqu’il impacte le corps de la léchette (flèche F1). Le flux d’air franchit le jeu radial J au sommet de la léchette 12 puis est perturbé une seconde fois (flèche F2) suite à l’augmentation brusque de la section de passage après traversée de la léchette. Plus le nombre de léchettes 12 est important, plus cela génère de turbulences dans le flux d’air, et plus l’étanchéité du joint est améliorée.
La présente invention propose un perfectionnement à cette technologie pour améliorer l’étanchéité du joint d’étanchéité de façon simple, efficace et économique.
EXPOSE DE L’INVENTION L’invention propose un joint d’étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant un élément de rotor tournant autour d’un axe de rotation, et un élément de stator s’étendant autour de l’élément de rotor, l’élément de rotor comportant une série de léchette(s) annulaire(s) s’étendant radialement vers l’extérieur et entourée par au moins un élément abradable, chaque léchette comportant un sommet annulaire en regard dudit au moins un élément abradable porté par l’élément de stator, caractérisé en ce qu’au moins une léchette comprend un sommet annulaire ayant une gorge annulaire qui débouche radialement vers l’extérieur.
Les gorges annulaires aux sommets des léchettes ont pour but d’augmenter les turbulences dans le flux de gaz traversant les léchettes en fonctionnement. Le phénomène qui a lieu au niveau de chaque gorge est globalement le même que celui décrit dans ce qui précède, à ceci près qu’il est amplifié.
Au niveau de chaque léchette à franchir dont le sommet comporte une gorge, le flux d’air est perturbé une première fois lorsqu’il impacte le corps de la léchette. Le flux d’air franchit le jeu radial au sommet de la léchette puis est perturbé une seconde fois suite à l’augmentation de la section de passage dans la gorge. L’air va ensuite tourbillonner dans la gorge, amplifiant les turbulences du joint et améliorant ainsi les performances du joint d’étanchéité. Le flux d’air poursuit sa course puis est perturbé une troisième fois suite aux nouvelles restriction et augmentation de la section de passage après traversée de la léchette en aval de la gorge. L’invention permet ainsi, pour un même niveau d’étanchéité, de réduire l’encombrement et la masse du joint, par exemple en supprimant une des léchettes. Elle permet également, pour un même nombre de léchettes, d’augmenter de manière significative le niveau d’étanchéité du joint. Elle permet en outre, pour un même niveau d’étanchéité, de conserver le nombre de léchettes mais d’augmenter les jeux radiaux avec l’élément qui l’entoure afin d’une part de simplifier leur intégration en réduisant les contraintes au montage, et d’autre part de faciliter le contrôle des jeux.
Le joint selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - ladite gorge a en section une forme générale en U ; - ladite gorge a un plan médian s’étendant dans un plan perpendiculaire audit axe de rotation ; - ladite gorge a en section un plan médian incliné entre 0° et 50° par rapport à un plan perpendiculaire audit axe de rotation ; - au moins deux desdites léchettes sont séparées l’une de l’autre par un espace annulaire dont une dimension radiale maximale E1 est supérieure à une dimension radiale maximale E2 desdites gorges ; - ledit espace a en section une forme générale similaire à celle desdites gorges ; et - le ratio E2/E1 est compris entre 20 et 50%.
La présente invention concerne encore une turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un joint tel que décrit ci-dessus.
DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d’un joint d’étanchéité à labyrinthe de turbomachine, selon la technique antérieure ; - les figures 2 et 3 sont des vues schématiques à plus grandes échelles de détails de la figure 1 ; - la figure 4 est une demi-vue schématique en coupe axiale d’un joint d’étanchéité à labyrinthe de turbomachine, selon l’invention ; - la figure 5 est une vue schématique à plus grande échelle d’un détail de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustrant une variante de réalisation de l’invention ; et - la figure 7 est une vue similaire à celle de la figure 4 et illustrant une autre variante de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Les figures 1 à 3 ont été décrites dans ce qui précède.
Les figures 4 et 5 représentent un premier mode de réalisation de l’invention selon laquelle au moins certains des sommets 12b des léchettes 12 comprennent chacun une gorge annulaire 20 qui débouche radialement vers l’extérieur.
Comme dans la technique antérieure, chaque léchette 12 comprend un corps annulaire 12a et un sommet 12b libre, en général en pointe, c’est-à-dire dont la largeur ou dimension axiale est inférieure à celle du corps 12a.
Selon l’invention, ce sommet 12b présente une gorge annulaire 20 débouchant radialement vers l’extérieur, c’est-à-dire vers le ou les éléments abradables 18 qui l’entoure.
Dans un joint d’étanchéité à deux ou plus léchettes 12, une partie ou la totalité des léchettes peut être équipée de telles gorges. Idéalement, elles le sont toutes.
Les gorges annulaires 20 aux sommets des léchettes 12 ont pour but d’augmenter les turbulences dans le flux de gaz traversant les léchettes en fonctionnement. Le flux de gaz s’écoule de l’amont vers l’aval à travers le joint d’étanchéité et plus généralement dans la turbomachine. Il s’écoule de gauche à droite sur les dessins.
Au niveau de chaque léchette 12 à franchir dont le sommet comporte une gorge 20, le flux d’air est perturbé une première fois lorsqu’il impacte le corps 12a de la léchette (flèche F1). Le corps de la léchette peut comprendre une face annulaire d’impact à section incurvée concave de façon à dévier et guider le flux d’air radialement vers l’extérieur, et donc vers le sommet de la léchette. Le flux d’air franchit le jeu radial au sommet de la léchette puis est perturbé une seconde fois suite à l’augmentation de la section de passage dans la gorge (flèche F2’). Le flux d’air poursuit sa course puis est perturbé une troisième fois suite à la nouvelle augmentation de la section de passage après traversée de la léchette (flèche F3’). Les turbulences dans le flux de gaz, après passage d’une léchette, sont donc amplifiées par rapport à la technique antérieure, ce qui permet d’améliorer les performances du joint d’étanchéité.
Dans l’exemple représenté à la figure 5, la gorge 20 a en section une forme générale en U. Elle a un plan médian P1 s’étendant dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’élément 14 qui porte les léchettes 12.
Au contraire, dans la variante de réalisation de la figure 6, la gorge 20’ a en section un plan médian P2 incliné par rapport à un plan perpendiculaire audit axe de rotation, ici de l’aval vers l’amont radialement vers l’extérieur. L’angle alpha représenté sur la figure 6 peut varier entre 0° et 50°. Il permet de forcer l’écoulement tourbillonnaire à se diriger vers l’amont.
Les léchettes 12 sont séparées les unes des autres par des espaces annulaires 22 qui ont une dimension radiale maximale notée E1 (figure 4). E1 est supérieure à la dimension radiale maximale notée E2 des gorges. Avantageusement, le ratio E2/E1 est compris entre 5 et 50%, de préférence entre 20 et 50%.
Dans les exemples représentés, les léchettes 12 sont droites et s’étendent chacune dans un plan P1 perpendiculaire à l’axe de rotation. Les espaces 22 sont également droits et ont en section une forme générale en U et donc similaires à celle des gorges 20.
Dans la variante de réalisation de la figure 7, les léchettes 12’ sont inclinées de l’aval vers l’amont radialement vers l’extérieur. Autrement dit, leurs extrémités radialement externes sont situées en amont par rapport à leurs extrémités radialement internes. De ce fait, les espaces 22’ sont également inclinés de la même façon. Les espaces 22’ peuvent toujours avoir une forme générale en U en section.
Les gorges 20’ des léchettes 12’ peuvent être droites, ou bien inclinées comme dans l’exemple représenté. La gorge 20’ de chaque léchette 12’ a son plan médian P2 incliné par rapport à un plan perpendiculaire à l’axe de rotation, ici de l’aval vers l’amont radialement vers l’extérieur.
Les parois annulaires latérales, respectivement amont et aval, de chaque gorge 20’, peuvent être inclinées d’un angle prédéterminé par rapport au plan médian P2. Dans l’exemple représenté, la paroi amont de chaque gorge est inclinée d’un angle béta et sa paroi aval est inclinée d’un angle alpha par rapport à P2, ces angles pouvant chacun varier entre 0° et 50°.
Les léchettes 12’ inclinées de la figure 7 peuvent être jugées plus étanches (en nombre égal et à encombrement égal) que les léchettes 12 droites. La configuration de la figure 7 avec deux angles alpha et beta variant entre 0° et 50° verrait le flux d’air êtreà la fois perturbé par les différentes variations de la section de passage, mais également grâce à la redirection de l’écoulement vers l’amont au passage de chaque sommet. L’effet dynamique ainsi généré permet alors d’améliorer l’étanchéité du joint.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Joint d’étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant un élément de rotor (14) tournant autour d’un axe de rotation (A), et un élément de stator (16) s’étendant autour de l’élément de rotor (14), l’élément de rotor (14) comportant une série de léchette(s) (12) annulaire(s) s’étendant radialement vers l’extérieur et entourée par au moins un élément abradable (18), chaque léchette (12) comportant un sommet annulaire (12b) en regard dudit au moins un élément abradable (18) porté par l’élément de stator (16), caractérisé en ce qu’au moins une léchette (12) comprend un sommet annulaire (12b) ayant une gorge annulaire (20) qui débouche radialement vers l’extérieur.
  2. 2. Joint selon la revendication précédente, dans lequel ladite gorge (20) a en section une forme générale en U.
  3. 3. Joint selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite gorge (20) a un plan médian (P1) s’étendant dans un plan perpendiculaire audit axe de rotation.
  4. 4. Joint selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite gorge (20) a en section un plan médian (P2) incliné entre 0° et 50°par rapport à un plan perpendiculaire audit axe de rotation (A).
  5. 5. Joint selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins deux desdites léchettes (12) sont séparées l’une de l’autre par un espace annulaire (22) dont une dimension radiale maximale E1 est supérieure à une dimension radiale maximale E2 desdites gorges (20) .
  6. 6. Joint selon la revendication précédente, dans lequel ledit espace (22) a en section une forme générale similaire à celle desdites gorges (20).
  7. 7. Joint selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le ratio E2/E1 est compris entre 5 et 50%, de préférence entre 20 et 50%.
  8. 8. Joint selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une léchette (12, 12’) s’étend dans un plan médian (P1) perpendiculaire audit axe de rotation (A) ou incliné par rapport à cet axe.
  9. 9. Turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un joint selon l’une des revendications précédentes.
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