FR3081910A1 - Dispositif d'etancheite entre deux parois annulaires d'un moteur d'aeronef et procede associe - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'étanchéité entre deux parois annulaires (9, 10) d'un moteur d'aéronef, les deux parois, respectivement radialement interne (9) et externe (10), étant engagées coaxialement l'une dans l'autre, l'une desdites parois (9) comportant des léchettes annulaires (20, 21) configurées pour coopérer avec l'autre desdites parois pour former une étanchéité à labyrinthe, caractérisé en ce que lesdites léchettes comprennent une première série de léchettes (20) et une seconde série de léchettes (21), lesdites séries de léchettes étant écartées axialement l'une de l'autre et lesdites parois (9, 10) définissant entre elles une cavité annulaire (17), le dispositif comprenant en outre des moyens (24, 25) de détection de la pression dans ou autour de ladite cavité (17) et des moyens (22) modification de la pression dans la cavité (17).

Description

DISPOSITIF D’ETANCHEITE ENTRE DEUX PAROIS ANNULAIRES D’UN MOTEUR D’AERONEF ET PROCEDE ASSOCIE

Domaine technique :

La présente invention concerne le domaine turbomachines pour aéronefs. Elle vise plus particulièrement les systèmes d’étanchéité entre deux parois cylindriques engagées coaxialement l’une dans l’autre.

Etat de l’art :

Notamment, dans l’architecture de turbomachine à doublet d’hélices non carénées, il est par exemple nécessaire d’assurer l’étanchéité au passage entre le carénage extérieur, statique, et la plateforme reliée aux pales de chaque hélice. L’étanchéité doit également être assurée entre des parois reliées aux arbres entraînant ces hélices et un carter interne ou une coque qui est soit statique, soit tournant à une vitesse différente.

Une solution connue, généralement adoptée dans les turbomachines pour assurer une étanchéité entre deux éléments tournants, est l’introduction de joints à labyrinthes.

Cependant, pour les configurations citées sur l’exemple, plusieurs phénomènes compromettent l’efficacité de ce type de solution.

Premièrement, il peut y avoir un déplacement radial important entre les deux parois. A cause des tolérances de fabrication et des jeux, les labyrinthes peuvent ici se retrouver avec un jeu radial très ouvert afin d’assurer le montage et un fonctionnement sain. Cela nuit à l’efficacité de leur fonction principale qui est d’assurer l’étanchéité.

Deuxièmement, il peut y avoir un déplacement axial important entre les deux parois. Dans ce cas, la conception des labyrinthes pour encaisser ces déplacements entraîne des sur-longueurs importantes.

Enfin, suivant les points de fonctionnement du moteur, le gradient de pression entre les deux extrémités du passage peut s’inverser sur les exemples cités.

L’invention a pour but de permettre d’assurer une bonne étanchéité à un passage entre deux coques concentriques pouvant tourner l’une par rapport à l’autre malgré l’occurrence des phénomènes précités.

Présentation de l’invention:

L’invention concerne un dispositif d’étanchéité entre deux parois annulaires d’un moteur d’aéronef, les deux parois, respectivement radialement interne et externe, étant engagées coaxialement l’une dans l’autre, l’une desdites parois comportant des léchettes annulaires configurées pour coopérer avec l’autre desdites parois pour former une étanchéité à labyrinthe, caractérisé en ce que lesdites léchettes comprennent une première série de léchettes et une seconde série de léchettes, lesdites séries de léchettes étant écartées axialement l’une de l’autre et lesdites parois définissant entre elles une cavité annulaire (17), le dispositif comprenant en outre des moyens de détection de la pression dans ou autour de ladite cavité et des moyens de modification de la pression dans la cavité.

Les dispositifs de joints à labyrinthe avec les léchettes permettent d’absorber les déplacements axiaux entre les parois.

Si le déplacement radial entre les parois est important, les joints à labyrinthe peuvent se retrouver avec un jeu radial très ouvert, ce qui diminue leur étanchéité. De même, si une variation de pression importante apparaît entre les extrémités du dispositif, du gaz peut passer au travers des léchettes. Dans ce cas, les moyens de détection de pression peuvent identifier une fuite et commander les moyens de pressurisation pour augmenter la pression dans la cavité. Cette contre-pression empêche le fait que du gaz provenant de l’une ou l’autre de ses extrémités puisse traverser le dispositif.

Selon un mode de réalisation préféré, les léchettes sont portées par la paroi interne.

Avantageusement, la première série de léchettes est portée par une portion de diamètre D1 de la paroi interne et la seconde série de léchettes est portée par une portion de diamètre D2 de la paroi interne, D2 étant supérieur à D1.

De préférence également, la cavité annulaire est formée entre un épaulement de la paroi interne de diamètre maximal D2 et un épaulement de la paroi externe de diamètre minimal D1, D2 étant supérieur à D1.

La distance entre les deux épaulements permet d’absorber les déplacements axiaux entre les deux parois.

Avantageusement, lesdits moyens de détection et moyens de modification de pression comprennent au moins un compresseur.

L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef, comportant au moins un dispositif tel que décrit précédemment.

L’invention concerne aussi un procédé d’optimisation de l’étanchéité entre deux parois annulaires d’un moteur d’aéronef, au moyen d’un dispositif tel que décrit précédemment, dans lequel la pression dans ladite cavité est régulée pour être supérieure aux pressions d’espaces annulaires qui sont séparés de ladite cavité par lesdites séries de léchettes.

Brève description des figures :

La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 représente une vue en perspective d’un moteur d’aéronef à deux hélices contrarotatives concerné par l’invention.

La figure 2 représente une demi coupe axiale du moteur de la figure 1 indiquant des zones utilisant un dispositif selon l’invention pour assurer l’étanchéité entre deux parois cylindriques engagées coaxialement l’une dans l’autre.

La figure 3 représente schématiquement une vue en perspective coupée selon un plan axial d’un dispositif d’étanchéité selon l’invention.

Description d’un mode de réalisation de l’invention :

Les figures 1 et 2 présentent un moteur d’aéronef utilisant l’invention avec un doublet d’hélices contrarotatives, 1 et 2. Le doublet d’hélices est placé à l’arrière du moteur et entraîne l’air circulant autour d’un carénage 3 de révolution enveloppant le moteur. Le moteur, de type turbomachine, comporte un générateur de gaz, 4, non explicité mais dont la place est indiquée par un rectangle, qui est alimenté par une entrée d’air centrale. Le générateur de gaz 4 fait tourner une turbine de puissance 5 qui entraîne en rotation autour de l’axe moteur X, via un réducteur à train d’engrenage épicycloïdal, la première hélice 1 dans un sens et la deuxième hélice 2 en sens inverse. La veine annulaire 6 d’échappement des gaz de la turbine 5 passe entre le carénage externe 3, au niveau duquel se situent les pieds des pales des hélices, 1 et 2, et un carénage interne 7, entourant les arbres tournants des hélices. Comme indiqué sur la figure 2, on trouve donc pour chaque hélice, 1 et 2, à la traversée de chaque carter, au moins une jointure, 8a, 8b, 8c, 8d et 8e, entre deux parois sensiblement cylindriques qui sont en rotation l’une par rapport à l’autre et pour lesquelles il faut assurer une étanchéité. En effet, de part et d’autre des parois, au niveau de la jointure, les gaz ont des propriétés dynamiques et des pressions différentes. Par ailleurs, si l’on prend par exemple la jointure 8a de la paroi tournante au pied de la première hélice 1 avec un élément du carénage externe 3, fixe, entourant la veine d’échappement 6 en sortie de turbine 5, les dilatations thermiques des deux pièces peuvent être très différentes puisque l’une est en contact avec l’air ambiant extérieur et l’autre avec l’air chaud sortant de la turbine.

La figure 3 décrit un mode de réalisation d’un dispositif d’étanchéité selon l’invention entre deux parois annulaires, 9 et 10, emboîtées l’une dans l’autre suivant leur axe commun X, au niveau d’une jonction telle que celles décrites précédemment.

Au niveau du dispositif d’étanchéité, la paroi annulaire interne 9 présente, en allant de la gauche vers la droite sur la figure 3, un premier tronçon cylindrique 11 ayant un premier diamètre externe D1 puis un deuxième tronçon cylindrique 12 ayant un deuxième diamètre externe D2 supérieur au premier, les deux tronçons étant reliés par un épaulement 13 annulaire qui est ici sensiblement radial. De même, la paroi annulaire externe 10 présente, en allant de la gauche vers la droite sur la figure, un premier tronçon cylindrique 14 ayant un premier diamètre interne D’1 puis un deuxième tronçon cylindrique 15 ayant un deuxième diamètre interne D’2 supérieur au premier, les deux tronçons étant reliés par un épaulement annulaire 16 qui est ici sensiblement radial.

D’une part la différence D’1-D1 entre le diamètre interne de la paroi externe 10 et le diamètre externe de la paroi interne 9 sur les premiers tronçons est sensiblement égale à celle D’2-D2 existant sur les seconds tronçons cylindriques. D’autre part, les épaulements annulaires, 13 et 16, de chaque paroi, 9 et 10, ont sensiblement la même forme et sont décalés axialement d’une longueur déterminée, L1.

Ainsi, les deux parois, 9 et 10, définissent une cavité annulaire 17 dont l’extension axiale est donnée par le décalage L1 entre les épaulements, 13 et 16, des deux parois, et 10, et dont l’extension radiale est égale à la différence de rayon entre les deuxième 12 et premier 11 tronçons cylindriques de la paroi interne 9, (D2-D1)/2, augmentée de la différence de rayon, (D’2-D2)/2, entre les tronçons cylindrique de la paroi externe (10) et les tronçons cylindriques de la paroi interne (9).

A gauche de la cavité annulaire 17, un premier espace annulaire 18, défini entre le premier tronçon cylindrique 11 de la paroi interne 9 et le premier tronçon cylindrique 14 de la paroi externe 10, relie la cavité annulaire 17 à un premier volume, par exemple une cavité interne à la paroi interne 9. A droite de la cavité annulaire 17, un deuxième espace annulaire 19, défini entre le deuxième tronçon cylindrique 12 de la paroi interne 9 et le deuxième tronçon cylindrique 15 de la paroi externe 10, relie la cavité annulaire 17 à un deuxième volume, par exemple une cavité externe à la paroi externe 10.

A proximité de ladite cavité 17, un premier joint d’étanchéité axiale 20, de type labyrinthe, est monté dans le premier espace annulaire 18, et un deuxième joint d’étanchéité axiale 21, de type labyrinthe, est monté dans le deuxième espace annulaire 19. Pour chaque joint à labyrinthe la paroi interne 9 comporte une série de léchettes annulaires répartie axialement s’étendant radialement vers l’extérieur d’une distance correspondant à l’écart de rayon entre les deux parois, 9 et 10. Cette technologie, connue de l’homme du métier permet de former un labyrinthe empêchant la circulation axiale de l’air au travers de l’espace annulaire occupé par les léchettes.

Le dispositif d’étanchéité est complété par un système de pressurisation 22 connecté à ladite cavité annulaire 17 par une conduite 23, de manière pouvoir y injecter un débit d’air de pressurisation sur commande. Le système de pressurisation 22 peut être un compresseur activable électriquement ou un système de prélèvement d’air au niveau d’un des compresseurs de la turbomachine.

De plus, des capteurs, 24 et 25, mesurent la différence de pression entre le premier espace annulaire 18, à l’extérieur du premier joint d’étanchéité 20, et ledit deuxième espace annulaire 19, à l’extérieur du deuxième joint d’étanchéité 21. Un système électronique 26 exploite les mesures fournies par les capteurs, 24 et 25, et commande l’activation du système de pressurisation 22 en fonction de ces données.

Le fonctionnement du dispositif d’étanchéité ainsi décrit est le suivant.

Les premier 20 et second joints 21 d’étanchéité axiale sont configurés pour assurer l’étanchéité avec un jeu entre les parois des tronçons cylindriques, 11-14 et 12-15, correspondant à la différence de diamètre nominale, D’2-D2, entre la paroi annulaire externe 10 et la paroi annulaire interne 9 pour un écart de pression pas trop important entre le premier espace annulaire 18 et le deuxième espace annulaire 19, à l’extérieur des joints d’étanchéité, 20 et 21.

Le décalage axial L1 entre les épaulements 13 et 16, des deux parois permet d’absorber des déplacements axiaux relatifs sans qu’il y ait de contact, tandis que le fonctionnement des joints d’étanchéité axiale, 20 et 21, sur les tronçons cylindriques de part et d’autre de la cavité centrale 17 n’est pas affecté.

Si des déplacements radiaux trop importants écartent par exemple les parois des tronçons cylindriques, 11-14 et 12-15, et affectent l’efficacité des joints d’étanchéité axiale, 20 et 21, en créant un jeu trop important entre les léchettes, les capteurs, 24 et 25, de pression détectent des écarts de pression signalant une circulation d’air trop importante traversant le dispositif. Dans ce cas, le système électronique 26 commande l’activation du système de pressurisation 22 afin que l’air s’échappe de la cavité annulaire 17 centrale, empêchant ainsi une circulation d’air traversant le dispositif d’un desdits espaces annulaires 18 entourant le dispositif vers l’autre 19.

De même, si la pression devient trop élevée dans l’un desdits espaces annulaires 18, les capteurs, 24 et 25, détectent une circulation traversant le dispositif en provenance de cet espace annulaire. Le système électronique 26 commande aussi dans ce cas une pressurisation de la cavité annulaire 17 centrale pour empêcher cette circulation traversant le dispositif d’étanchéité.

Claims (7)

1. Revendications

   1. Dispositif d’étanchéité entre deux parois annulaires (9, 10) d’un moteur d’aéronef, les deux parois, respectivement radialement interne (9) et externe (10), étant engagées coaxialement l’une dans l’autre, l’une desdites parois (9) comportant des léchettes annulaires (20, 21) configurées pour coopérer avec l’autre desdites parois pour former une étanchéité à labyrinthe, caractérisé en ce que lesdites léchettes comprennent une première série de léchettes (20) et une seconde série de léchettes (21), lesdites séries de léchettes étant écartées axialement l’une de l’autre et lesdites parois (9, 10) définissant entre elles une cavité annulaire (17), le dispositif comprenant en outre des moyens (24, 25) de détection de la pression dans ou autour de ladite cavité (17) et des moyens (22) de modification de la pression dans la cavité (17).
2. 2. Dispositif d’étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que les léchettes (20, 21) sont portées par la paroi interne (9).
3. 3. Dispositif d’étanchéité selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première série de léchettes (20) est portée par une portion (11) de diamètre D1 de la paroi interne (9) et la seconde série de léchettes (21) est portée par une portion (12) de diamètre D2 de la paroi interne (9), D2 étant supérieur à D1.
4. 4. Dispositif d’étanchéité selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité annulaire (17) est formée entre un épaulement (13) de la paroi interne (9) de diamètre maximal D2 et un épaulement (16) de la paroi externe (10) de diamètre minimal D1, D2 étant supérieur à D1.
5. 5. Dispositif d’étanchéité selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens (24, 25) de détection et moyens (22) de modification de pression comprennent au moins un compresseur.
6. 6. Turbomachine d’aéronef, comportant au moins un dispositif selon l’une des revendications précédentes.
7. 7. Procédé d’optimisation de l’étanchéité entre deux parois annulaires d’un moteur d’aéronef, au moyen d’un dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la pression dans ladite cavité (17) est régulée pour être supérieure aux pressions 5 d’espaces annulaires (18, 19) qui sont séparés de ladite cavité par lesdites séries de léchettes (20, 21).