FR3111157A1 - Moteur comprenant un organe d’étanchéité entre deux éléments de rotor - Google Patents

Moteur comprenant un organe d’étanchéité entre deux éléments de rotor Download PDF

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Abstract

Moteur (10) d’axe longitudinal (X-X’) comprenant un premier élément de rotor (12), un deuxième élément de rotor (16), un premier arbre d’entrainement (14) relié à un compresseur et un organe d’étanchéité (20) disposé axialement entre les deux éléments de rotors (12, 16). L’organe d’étanchéité (20) comprend un disque d’étanchéité (22) comprenant une première portion de fixation (22b) fixée aux deux éléments de rotor (12, 16), et au moins un élément élastiquement déformable (26, 28) fixé à une deuxième portion de fixation (22d) du disque d’étanchéité, ledit élément élastiquement déformable (26, 28) portant au moins deux éléments d’étanchéité (28, 29) respectivement en contact avec le premier arbre d’entraînement (14) et avec le deuxième élément de rotor (16). Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Moteur comprenant un organe d’étanchéité entre deux éléments de rotor
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne le domaine des turbomachines, et notamment l’étanchéité entre deux zones adjacentes de la turbomachine.
Etat de la technique antérieure
Classiquement, on connait les turbomachines du type turboréacteur à double flux et à double corps. De manière connue, la turbomachine comporte, d'amont en aval selon le sens d’écoulement des flux de gaz dans la turbomachine, une soufflante, accouplée à un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression.
Les rotors du compresseur haute pression et de la turbine haute pression sont reliés par un arbre haute pression (HP) et forment avec lui un corps haute pression. Les rotors du compresseur basse pression et de la turbine basse pression sont reliés par un arbre basse pression (BP) et forment avec lui un corps basse pression. Les arbres HP et BP s'étendent suivant un axe longitudinal de la turbomachine.
La turbomachine comprend généralement un élément d’étanchéité ou disque d’étanchéité présentant la forme générale d’une pièce annulaire et dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation de la turbomachine. Le disque d’étanchéité est généralement disposé entre le rotor basse pression et le rotor haute pression et solidaire desdits rotors.
Les disques d’étanchéité connus sont ainsi interposés rigidement entre deux rotors susceptibles d’avoir des comportements dynamiques différents. Ainsi, le comportement dynamique de l’élément de rotor situé en amont du disque d’étanchéité peut être différent du comportement dynamique de l’élément de rotor situé en aval du disque d’étanchéité.
Dans une telle configuration, le disque d’étanchéité est soumis à des efforts très importants, de sorte que l’étanchéité entre les éléments de rotor n’est pas satisfaisante.
Ainsi, il existe un besoin d’améliorer l’étanchéité entre des éléments de rotor.
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients des systèmes précités et de proposer un organe d’étanchéité configuré pour assurer une étanchéité entre deux éléments de rotors d’une turbomachine, et ce, sans augmenter l’encombrement entre les éléments de rotor, afin d’optimiser les performances globales de la turbomachine.
L’invention a donc pour objet un moteur, d’axe longitudinal, comprenant un premier élément de rotor, un deuxième élément de rotor, un premier arbre d’entraînement relié à un compresseur et un organe d’étanchéité disposé axialement entre les deux éléments de rotors.
L’organe d’étanchéité comprend un disque d’étanchéité comprenant une première portion de fixation fixée aux deux éléments de rotor, par exemple par des moyens de visseries, et au moins un élément élastiquement déformable fixé à une deuxième portion de fixation du disque d’étanchéité, par exemple par des moyens de visseries. Ledit élément élastiquement déformable portant au moins deux éléments d’étanchéité respectivement en contact avec le premier arbre d’entraînement et avec le deuxième élément de rotor.
Grace à l’organe d’étanchéité tel que défini, le comportement dynamique de l’élément de rotor situé en amont du disque d’étanchéité peut être différent du comportement dynamique de l’élément de rotor situé en aval du disque d’étanchéité, tout en garantissant une étanchéité.
En d’autres termes, le disque d’étanchéité est pris en sandwich entre les deux éléments de rotor, c’est-à-dire sans jeu axial entre le disque et lesdits éléments de rotor.
Par « élément élastiquement déformable », on entend tout organe élastique, de par le matériau utilisé et/ou ses dimensions, capable de se déformer élastiquement, de manière réversible, sous l’action d’une sollicitation externe et de revenir dans sa position initiale après arrêt de ladite sollicitation.
Le disque d’étanchéité présente la forme générale d’une pièce annulaire et dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation du moteur.
Avantageusement, le disque d’étanchéité comprend une portion de centrage située radialement à l’intérieur du premier élément de rotor afin de centrer radialement ledit disque.
Par exemple, le disque d’étanchéité comprend au moins un orifice de ventilation pour la circulation d’un fluide de refroidissement, ledit orifice débouchant dans un volume de refroidissement ménagé entre le disque d’étanchéité et une surface amont du deuxième élément de rotor. L’orifice de ventilation permet le passage d’un flux d’air prélevé, par exemple, par un injecteur d’air dans le volume de refroidissement. Le flux d’air de refroidissement est ensuite distribué vers les aubes montées sur le rotor de turbine correspondant. Le deuxième élément de rotor comprend à cet effet un orifice de passage débouchant dans le volume de refroidissement.
L’élément élastiquement déformable peut comprendre une portion principale portant à chacune de ses extrémités, un élément d’étanchéité et une portion de fixation fixée au disque d’étanchéité et coudée par rapport à la portion principale d’un angle supérieur ou égal à 90°.
La forme coudée de l’élément élastiquement déformable lui permet de se déformer élastiquement lors d’une éventuelle déformation des éléments de rotor.
Selon un mode de réalisation, la portion principale comprend deux rainures dans chacune desquelles est monté un élément d’étanchéité.
Par exemple, chaque rainure est formée entre deux ergots (en saillie vers l’extérieur du moteur).
Les ergots permettent de positionner l’élément d’étanchéité, mais également de pallier la défaillance dudit élément et assurer une étanchéité minimale avec l’élément de rotor ou l’arbre d’entraînement. En variante, la rainure pourrait être formée directement sur l’élément élastiquement déformable, sans ergots.
Selon un mode de réalisation, l’élément élastiquement déformable est une pièce annulaire de 360°.
Selon un autre mode de réalisation, l’élément élastiquement déformable comprend au moins deux segments distincts formant une pièce annulaire de 360°.
L’élément élastiquement déformable peut être une tôle en matériau métallique. On pourrait prévoir un élément élastiquement déformable en tout autre matériau capable de permettre audit élément de se déformer élastiquement.
Les éléments d’étanchéité sont, par exemple, en matériau élastomère.
Par exemple, l’élément élastiquement déformable peut être préassemblé au disque d’étanchéité avant montage sur le moteur.
Selon un autre mode de réalisation, l’organe d’étanchéité comprend deux éléments élastiquement déformables distincts l’un de l’autre et distincts du disque d’étanchéité, le premier élément élastiquement déformable porte un premier élément d’étanchéité en contact avec le premier arbre d’entraînement et le deuxième élément élastiquement déformable porte un deuxième élément d’étanchéité en contact avec le deuxième élément de rotor.
Les deux éléments déformables distincts permettent chacun de s’adapter à des variations différentielles entre l’amont et l’avant du disque d’étanchéité.
Par exemple, le premier élément élastiquement déformable comprend une portion principale et une portion d’étanchéité à une extrémité de ladite portion principale. La portion d’étanchéité comprend par exemple une rainure annulaire dans laquelle est monté un premier élément d’étanchéité, par exemple un joint torique. La rainure annulaire peut être formée entre deux ergots sur la portion d’étanchéité en saillie radiale vers le premier arbre d’entraînement ou formée directement sur le premier élément élastiquement déformable.
Le premier élément élastiquement déformable comprend en outre une portion de fixation s’étendant à partir d’une deuxième extrémité de la portion principale, opposée à la portion d’étanchéité, et formant un angle, par exemple compris entre 45° et 120°, par exemple égal à 90°, avec ladite portion. La portion de fixation est fixée axialement rigidement au disque d’étanchéité par les deuxièmes moyens de visseries.
Par exemple, le deuxième élément élastiquement déformable comprend une portion principale et une portion d’étanchéité à une extrémité de ladite portion principale. La portion d’étanchéité comprend par exemple une rainure annulaire dans laquelle est monté un deuxième élément d’étanchéité, par exemple un joint torique. La rainure annulaire peut être formée entre deux ergots sur la portion d’étanchéité en saillie vers la bride basse pression ou formée directement sur le deuxième élément élastiquement déformable. Le deuxième élément élastiquement déformable comprend une portion principale et une portion d’étanchéité à une extrémité de ladite portion principale.
Le deuxième élément élastiquement déformable comprend en outre une portion de fixation s’étendant à partir d’une deuxième extrémité de la portion principale, opposée à la portion d’étanchéité et formant un angle avec ladite portion. Par exemple, la portion de fixation comprend une première partie coudée s’étendant de la portion principale d’un premier angle compris entre 90° et 120°, par exemple égal à 120°, et une deuxième partie coudée s’étendant radialement d’une extrémité de la première partie coudée selon un deuxième angle compris entre 45° et 90°, par exemple égal à 90°. On pourrait prévoir la portion de fixation en une seule partie sensiblement arrondie. On pourrait également prévoir d’autres angles pour les parties coudées. La portion de fixation est fixée axialement rigidement au disque d’étanchéité par les deuxièmes moyens de visseries.
Avantageusement, le moteur est une turbomachine comportant, d'amont en aval selon le sens d’écoulement des flux de gaz dans la turbomachine, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression, la turbine haute pression comprenant un rotor de turbine, d’axe de rotation, comprenant un disque de turbine dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation et relié à une bride haute pression solidaire du premier arbre d’entraînement haute pression relié au compresseur haute pression, la turbine basse pression comprenant un rotor de turbine, d’axe de rotation, comprenant un disque de turbine basse pression dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation et relié à une bride basse pression solidaire d’un arbre basse pression relié au compresseur basse pression. Le premier élément de rotor est la bride haute pression et le deuxième élément de rotor est la bride basse pression.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence à la unique annexée qui illustre très schématiquement une demi-coupe axiale d’une partie d'un exemple d’une turbomachine comprenant un organe d’étanchéité selon l’invention.
Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation de l’air dans la turbomachine.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
Sur la figure 1 est représentée très schématiquement une demi-coupe axiale d’une partie d’une turbomachine 10, d’axe général longitudinal X-X’, par exemple de type turboréacteur à double flux.
La turbomachine 10 comporte, d'amont en aval selon le sens d’écoulement des flux de gaz dans la turbomachine, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression.
Par souci de clarté, l’ensemble de ces éléments ne sont pas illustrés sur la figure.
De manière connue en soi, la turbine haute pression comprend un rotor de turbine, d’axe de rotation X-X’, comprenant un disque de turbine dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’. Le disque de turbine est relié à une bride haute pression 12 solidaire d’un arbre 14 haute pression (HP) relié au compresseur haute pression (non représenté). Le disque de turbine haute pression comprend en outre une pluralité d’aubes de rotor (non représentées) montées radialement sur la circonférence dudit disque de turbine. Les aubes de rotor s’étendent radialement vers l’extérieur.
La turbine basse pression comprend, de manière similaire, un rotor de turbine, d’axe de rotation X-X’, comprenant un disque de turbine basse pression dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’. Le disque de turbine basse pression est relié à une bride basse pression 16 solidaire d’un arbre basse pression (BP) (non représenté) relié au compresseur basse pression. Le disque de turbine basse pression comprend en outre une pluralité d’aubes de rotor (non représentées) montées radialement sur la circonférence dudit disque de turbine. Les aubes de rotor s’étendent radialement vers l’extérieur.
La turbomachine 10 comprend généralement un organe d’étanchéité 20 comprenant un disque d’étanchéité 22 présentant la forme générale d’une pièce annulaire et dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’ de la turbomachine. Le disque d’étanchéité 22 est disposé axialement entre la bride haute pression 12 et la bride basse pression 16. Tel qu’illustré, le disque d’étanchéité 22 est pris en sandwich entre les brides 12, 16, c’est-à-dire sans jeu axial entre le disque 22 et lesdites brides 12, 16.
Le disque d’étanchéité 22 comprend en outre une portion de centrage 22a située radialement à l’intérieur de la bride haute pression 12 afin de centrer radialement ledit disque 22.
Le disque d’étanchéité 22 comprend une première portion 22b de fixation aux brides 12, 16, par exemple par des premiers moyens de vissage 24.
Le disque d’étanchéité 22 comprend au moins un orifice de ventilation 22c pour la circulation d’un fluide de refroidissement, ledit orifice 22c débouchant dans un volume de refroidissement ménagé entre le disque d’étanchéité 22 et une surface amont de la bride basse pression 16. L’orifice de ventilation 22c permet le passage d’un flux d’air prélevé, par exemple, par un injecteur d’air dans le volume V de refroidissement. Le flux d’air de refroidissement est ensuite distribué vers les aubes montées sur le rotor de turbine correspondant. La bride basse pression 16 comprend à cet effet un orifice 16a de passage débouchant dans le volume V.
Tel qu’illustré, l’organe d’étanchéité 20 comprend deux éléments élastiquement déformables 26, 28 distincts l’un de l’autre et distincts du disque d’étanchéité 22.
Les éléments élastiquement déformables 26, 28 sont solidaires d’une deuxième portion de fixation 22d du disque d’étanchéité 22, par exemple par des deuxièmes moyens de visseries 25. En variante, on pourrait prévoir qu’un seul élément élastiquement déformable solidaire dudit disque 22.
Par « élément élastiquement déformable », on entend tout organe élastique, de par le matériau utilisé et/ou ses dimensions, capable de se déformer élastiquement, de manière réversible, sous l’action d’une sollicitation externe et de revenir dans sa position initiale après arrêt de ladite sollicitation.
Les éléments élastiquement déformables 26, 28 peuvent être, de manière nullement limitative, des tôles en matériau métallique ayant une épaisseur configurée pour permettre aux éléments 26, 28 de se déformer élastiquement.
On pourrait prévoir des éléments élastiquement déformables 26, 28 en tout autre matériau capable de permettre auxdits éléments 26, 28 de se déformer élastiquement.
Les deux éléments élastiquement déformables 26, 28 sont, de manière nullement limitative, des pièces annulaires formant 360°.
On pourrait prévoir que chacun des éléments élastiquement déformables 26, 28 comprennent une pluralité de segments séparés formant un angle inférieur ou égal à 360°.
Le premier élément élastiquement déformable 26 comprend une portion principale 26a et une portion d’étanchéité 26b à une extrémité de ladite portion principale 26a. La portion d’étanchéité 26b comprend par exemple une rainure annulaire 26c dans laquelle est monté un premier élément d’étanchéité 27, par exemple un joint torique. Tel qu’illustré, la rainure annulaire 26c est formée entre deux ergots 26d sur la portion d’étanchéité 26b en saillie radiale vers l’arbre haute pression 12. Les ergots 26d permettent de positionner le joint 27, mais également de pallier la défaillance dudit joint et assurer une étanchéité minimale avec l’arbre haute pression 12.
En variante, la rainure 26c pourrait être formée directement sur l’élément élastiquement déformable 26.
Le premier élément d’étanchéité 27 est destiné à venir en contact radial avec l’arbre haute pression 14, notamment sa surface inférieure.
Le premier élément élastiquement déformable 26 comprend en outre une portion de fixation 26e s’étendant à partir d’une deuxième extrémité de la portion principale 26a, opposée à la portion d’étanchéité 26b et formant un angle avec ladite portion 26a. Tel qu’illustré, la portion de fixation 26e s’étend de la portion principale 26a d’un angle de 90°. La portion de fixation 26e est fixée axialement rigidement au disque d’étanchéité 22 par les deuxièmes moyens de visseries 25.
La forme coudée du premier élément élastiquement déformable 26 lui permet de se déformer élastiquement lors d’une éventuelle déformation de la bride haute pression 12.
Le deuxième élément élastiquement déformable 28 comprend une portion principale 28a et une portion d’étanchéité 28b à une extrémité de ladite portion principale 28a. La portion d’étanchéité 28b comprend par exemple une rainure annulaire 28c dans laquelle est monté un deuxième élément d’étanchéité 29, par exemple un joint torique. Tel qu’illustré, la rainure annulaire 28c est formée entre deux ergots 28d sur la portion d’étanchéité 28b en saillie vers la bride basse pression 16. Les ergots 28d permettent de positionner le joint 29, mais également de pallier la défaillance dudit joint et assurer une étanchéité minimale avec la bride basse pression 16.
En variante, la rainure 28c pourrait être formée directement sur l’élément élastiquement déformable 28.
Le deuxième élément d’étanchéité 29 est destiné à venir en contact avec la surface amont de la bride basse pression 16.
Le deuxième élément élastiquement déformable 28 comprend en outre une portion de fixation 28e s’étendant à partir d’une deuxième extrémité de la portion principale 28a, opposée à la portion d’étanchéité 28b et formant un angle avec ladite portion 28a. Tel qu’illustré, la portion de fixation 28e comprend une première partie coudée 28f s’étendant de la portion principale 28a d’un angle de 120° et une deuxième partie coudée 28g s’étendant radialement d’une extrémité de la première partie coudée 28e selon un angle de 90°. On pourrait prévoir la portion de fixation en une seule partie sensiblement arrondie. On pourrait également prévoir d’autres angles pour les parties coudées.
La portion de fixation 26e est fixée axialement rigidement au disque d’étanchéité 22 par les deuxièmes moyens de visseries 25.
La forme coudée du deuxième élément élastiquement déformable 28 lui permet de se déformer élastiquement lors d’une éventuelle déformation de la bride basse pression 16.
Ainsi, les deux éléments déformables distincts permettent chacun de s’adapter à des variations différentielles entre l’amont et l’avant du disque d’étanchéité 22.
Les éléments d’étanchéité 27, 29 peuvent être en matériau élastomère.
En variante, on pourrait prévoir un seul élément élastiquement déformable portant deux éléments d’étanchéité en contact d’un côté avec l’arbre HP 14 et de l’autre côté avec l’élément de rotor BP 16.
De manière générale, l’organe d’étanchéité est destiné à être monté entre deux éléments de rotors présentant des comportements dynamiques différents.
Grace à l’organe d’étanchéité selon l’invention, le comportement dynamique de l’élément de rotor situé en amont du disque d’étanchéité peut être différent du comportement dynamique de l’élément de rotor situé en aval du disque d’étanchéité, tout en garantissant une étanchéité.

Claims (11)

  1. Moteur (10) d’axe longitudinal (X-X’) comprenant un premier élément de rotor (12), un deuxième élément de rotor (16), un premier arbre d’entraînement (14) relié à un compresseur et un organe d’étanchéité (20) disposé axialement entre les deux éléments de rotors (12, 16), caractérisé en ce que l’organe d’étanchéité (20) comprend :
    - un disque d’étanchéité (22) comprenant une première portion de fixation (22b) fixée aux deux éléments de rotor (12, 16), et
    - au moins un élément élastiquement déformable (26, 28) fixé à une deuxième portion de fixation (22d) du disque d’étanchéité, ledit élément élastiquement déformable (26, 28) portant au moins deux éléments d’étanchéité (28, 29) respectivement en contact avec le premier arbre d’entraînement (14) et avec le deuxième élément de rotor (16).
  2. Moteur (10) selon la revendication 1, dans lequel le disque d’étanchéité (22) comprend une portion de centrage (22a) située radialement à l’intérieur du premier élément de rotor (12).
  3. Moteur (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le disque d’étanchéité (22) comprend au moins un orifice de ventilation (22c) pour la circulation d’un fluide de refroidissement.
  4. Moteur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’élément élastiquement déformable (26, 28) comprend une portion principale (26a, 28a) portant à chacune de ses extrémités, un élément d’étanchéité (27, 29) et une portion de fixation (26e, 28e) fixée au disque d’étanchéité (22) et coudée par rapport à la portion principale (26a, 28a) d’un angle supérieur ou égal à 90°.
  5. Moteur (10) selon la revendication 4, dans lequel la portion principale (26a, 28a) comprend deux rainures (26c, 28c) dans chacune desquelles est monté un élément d’étanchéité (27, 29).
  6. Moteur (10) selon la revendication 5, dans lequel chaque rainure (26c, 28c) est formée entre deux ergots (26d, 28d) en saillie vers l’extérieur du moteur.
  7. Moteur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’élément élastiquement déformable (26, 28) est une pièce annulaire de 360°.
  8. Moteur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’élément élastiquement déformable (26, 28) comprend au moins deux segments distincts formant une pièce annulaire de 360°.
  9. Moteur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’élément élastiquement déformable (26, 28) est une tôle en matériau métallique.
  10. Moteur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe d’étanchéité (20) comprend deux éléments élastiquement déformables (26, 28) distincts l’une de l’autre et distinct du disque d’étanchéité (22), le premier élément élastiquement déformable (26) porte un premier élément d’étanchéité (27) en contact avec le premier arbre d’entraînement (14) et le deuxième élément élastiquement déformable (28) porte un deuxième élément d’étanchéité (29) en contact avec le deuxième élément de rotor (16).
  11. Moteur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur est une turbomachine comportant, d'amont en aval selon le sens d’écoulement des flux de gaz dans la turbomachine, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression, la turbine haute pression comprenant un rotor de turbine, d’axe de rotation (X-X’), comprenant un disque de turbine dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation (X-X’) et relié à une bride haute pression (12) solidaire du premier arbre (14) d’entraînement haute pression relié au compresseur haute pression, la turbine basse pression comprenant un rotor de turbine, d’axe de rotation (X-X’), comprenant un disque de turbine basse pression dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation (X-X’) et relié à une bride basse pression (16) solidaire d’un arbre basse pression (BP) relié au compresseur basse pression, le premier élément de rotor étant la bride haute pression (12) et le deuxième élément de rotor étant la bride basse pression (16).
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