FR3114618A1 - Dispositif d’étanchéité pour turbomarchine et module de turbomachine doté d’un tel dispositif d’étanchéité - Google Patents

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Abstract

Ce dispositif d’étanchéité entre un rotor (8) et une portée circonférentielle d’étanchéité (21) mobiles l’un par rapport à l’autre, comprend une embase (22) de fixation du dispositif sur le rotor, une tête de frottement (23) comprenant une surface (27) de contact avec la portée d’étanchéité et une zone intermédiaire déformable élastiquement s’étendant entre l’embase (22) et la tête de frottement (23), la surface de contact s’étendant en saillie par rapport au raccordement de la tête de frottement avec la zone intermédiaire déformable élastiquement. Figure pour l’abrégé : Fig 2

Description

Dispositif d’étanchéité pour turbomarchine et module de turbomachine doté d’un tel dispositif d’étanchéité
La présente invention concerne, de manière générale, les turbomachines et se rapporte en particulier à un dispositif d’étanchéité destiné à être monté entre deux arbres tournants d’une turbomachine.
Plus particulièrement, dans un mode de réalisation, l’invention se rapporte à un dispositif d’étanchéité destiné à être monté entre un rotor et une portée d’étanchéité mobiles en rotation l’un par rapport à l’autre.
Une application particulièrement intéressante de l’invention concerne les turbomachines équipées d’un moteur UHBR à fort taux de dilution, ou turbofans, notamment à réducteur.
Techniques antérieures
Un turbofan classique comprend généralement, de l’amont vers l’aval, en considérant la direction d’un gaz manipulé par le turbofan, une soufflante, un ou plusieurs étages de compression, une chambre de combustion et un ou plusieurs étages de turbine débouchant dans une tuyère d’échappement.
Un turbofan classique comporte par ailleurs un ou plusieurs rotors guidés en rotation par des paliers qui supportent les parties tournantes et un ou plusieurs stators.
En outre, des pignons sont présent dans l’enceinte pour prélever l’énergie mécanique fournie par le turbofan lors de son fonctionnement et la délivrer à des dispositif externes consommateurs d’énergie, tels que des pompes ou des générateurs.
On pourra se référer au document WO 2018/189442 qui décrit l’architecture générale d’un turbofan à réducteur dans lequel le rotor supportant la roue de la soufflante est entraîné par un rotor d’entraînement des aubes mobiles d’un compresseur basse pression, par l’intermédiaire d’un réducteur.
Les éléments d’usure d’un turbofan, tels que les paliers, la pignonnerie ou les roulements doivent être constamment lubrifiés.
Le circuit de lubrification d’un turbofan est relativement complexe à mettre en œuvre. Il requiert en premier lieu une pressurisation d’enceintes, par exemple celle renfermant le réducteur, afin de maintenir l’huile de lubrification à l’intérieur des éléments à lubrifier.
Le circuit de lubrification comporte notamment une alimentation en huile, un gicleur, un circuit de drainage et des dispositifs d’étanchéité, par exemple prévus entre les rotors ou entre les rotors et les stators. Ces dispositifs d’étanchéité constituent généralement des sources de pertes d’huile. Par exemple, les enceintes des paliers sont composées de pièces rotatives et de pièces statiques et des pertes d’huile peuvent se produire à la jonction entre ces pièces, surtout après usure du moteur.
Les dispositifs d’étanchéité doivent également être présents entre le rotor entraînant les étages de compression et le rotor supportant la roue de la soufflante.
L’étanchéité doit être conservée même en cas de désaxage des rotors. Ce problème se pose de façon accrue dans les turbofans à réducteur qui peuvent être le siège d’un désaxage relativement important. En effet, les déplacements relatifs axiaux et radiaux peuvent dans ce cas être de l’ordre de quelques millimètres.
Les joints de type JRS utilisés classiquement ne tolèrent généralement pas les déplacements radiaux et ne sont capables de compenser que des déplacements relatifs axiaux limités, par exemple de l’ordre du millimètre.
Les dispositifs d’étanchéité utilisant des joints à brosse ne permettent pas non plus de compenser des désaxages radiaux supérieurs à environ 1 millimètre en raison de l’écrasement consécutif des poils de la brosse qui n’assurent dès lors plus leur fonction efficacement.
La capacité de tolérance des dispositifs d’étanchéité classiques peut également être réduite selon les caractéristiques géométriques de la portée d’étanchéité sur laquelle ces dispositifs s’appuient.
Le but de l’invention est donc de pallier les inconvénients des dispositifs d’étanchéité classiques et de proposer un dispositif d’étanchéité capable de tolérer des déplacements relatifs axiaux et radiaux accrus entre les éléments entre lesquels il assure sa fonction d’étanchéité.
Plus particulièrement, un but de l’invention est de proposer un dispositif d’étanchéité destiné être placé entre un rotor et une portée d’étanchéité qui soit capable de tolérer des déplacements relatifs axiaux et radiaux relativement importants entre le rotor et la portée d’étanchéité.
L’invention a donc pour objet un dispositif d’étanchéité entre un rotor et une portée circonférentielle d’étanchéité mobiles l’un par rapport à l’autre, ce dispositif comportant une embase de fixation du dispositif sur le rotor, une tête de frottement comprenant une surface de contact avec la portée d’étanchéité et une zone intermédiaire déformable élastiquement s’étendant entre l’embase et la tête de frottement, la surface de contact s’étendant en saillie par rapport au raccordement de la tête de frottement avec la zone intermédiaire déformable élastiquement.
Le dispositif est ainsi solidarisé au rotor et la tête de contact est sollicitée en appui étanche contre la portée d’étanchéité contre laquelle elle frotte lors de la rotation relative du rotor et de la portée. Grâce à cet agencement, l’étanchéité est conservée, même en cas de décalage radial important entre le rotor et la portée.
Selon une autre caractéristique du dispositif d’étanchéité, l’embase comprend un ensemble de fixation annulaire, la zone intermédiaire et la tête de frottement formant une collerette annulaire s’étendant à partir de l’embase selon une direction comprenant une composante radiale.
Dans un mode de réalisation, la tête de frottement est réalisée en un matériau souple et sa surface de contact est réalisée en matériau métallique.
En variante, la tête de frottement est réalisée en matériau métallique.
En ce qui concerne la zone intermédiaire, celle-ci comprend par exemple une âme métallique.
Cette âme métallique peut être recouverte de matériau souple.
Dans divers modes de réalisations, la zone intermédiaire comporte au moins une portion coudée.
Par exemple, la portion coudée comporte un sommet de courbure et deux branches orientées raccordées à l’embase et à la tête de frottement de manière que le sommet soit radialement extérieur par rapport à l’embase et à la tête de frottement.
Par exemple, la surface de contact est une surface convexe.
L’invention a également pour objet un module de turbomachine comprenant un rotor et une portée d’étanchéité circonférentielle mobiles l’un par rapport à l’autre.
Ce module comporte un dispositif d’étanchéité comprenant une embase de fixation du dispositif sur le rotor, une tête de frottement comprenant une surface de contact venant en contact avec la portée d’étanchéité et une zone intermédiaire déformable élastiquement s’étendant entre l’embase et la tête de frottement, la surface de contact s’étendant en saillie par rapport au raccordement de la tête de frottement avec la zone intermédiaire déformable élastiquement.
Par exemple, l’embase est solidaire du rotor constitué par un arbre de la turbomachine et la portée d’étanchéité est solidaire d’un élément d’un réducteur de la turbomachine susceptible de se déplacer radialement et axialement par rapport à l’arbre.
Dans un mode de réalisation, le rotor comprend un épaulement et un écrou de fixation de l’embase de fixation contre l’épaulement.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non imitatif, et faite en références aux dessins annexés sur lesquels :
est une vue schématique en coupe axiale d’un turbofan à réducteur équipé d’un dispositif d’étanchéité conforme à l’invention ;
est une vue de détail du dispositif d’étanchéité du turbofan de la figure 1, monté sur un rotor et en appui sur une portée d’étanchéité ;
est une vue à plus grande échelle du dispositif d’étanchéité de la figure 2 ;
est une variante de réalisation d’un dispositif d’étanchéité conforme à l’invention ; et
illustre une autre variante de réalisation d’un dispositif d’étanchéité conforme à l’invention.
Description détaillée
Dans ce qui suit, les termes axial et radial sont considérés par rapport à la direction de l’axe de rotation des rotors du turbofan. Ainsi, la direction axiale correspond à une direction parallèle à l’axe des rotors et une direction radiale correspond à une direction perpendiculaire à cet axe.
On se réfère tout d’abord à la figure 1 qui illustre schématiquement la structure générale d’un turbofan à réducteur UHBR doté d’un dispositif d’étanchéité conforme à l’invention.
Le turbofan, désigné par la référence numérique générale 1, comporte, de l’amont vers l’aval, en considérant le sens d’écoulement d’un gaz manipulé par le turbofan illustré par la flèche F, une soufflante S, un ou plusieurs étages de compression, notamment un compresseur à basse pression 2 et un compression haute pression, une chambre de combustion, une ou plusieurs turbines, telle qu’une turbine basse pression et une turbine haute pression, ainsi qu’une tuyère d’échappement.
La présente invention ne concernant pour l’essentiel que la zone du turbofan s’étendant entre la soufflante et l’étage de compression basse pression, seule la partie amont du turbofan a été représentée sur la figure 1.
Le compresseur, en particulier le compresseur basse pression 2, comprend une pluralité de rangées d’aubes fixes 3 portées par une enveloppe structurale interne 5 et une pluralité d’aubes mobiles 6 entraînées en rotation par un rotor de compresseur 7 lié en rotation à un rotor 8 de turbine basse pression.
Le turbofan est par ailleurs doté d’une enveloppe extérieure fixe 9 qui délimite avec l’enveloppe interne 5 une veine annulaire de flux secondaire 10.
Une ou plusieurs rangées d’aubes fixes 11 assurent le redressement de ce flux secondaire.
La soufflante est quant à elle portée par un rotor 12 qui est entraîné en rotation par le rotor 8 de turbine basse pression par l’intermédiaire d’un réducteur R.
Dans la configuration représentée sur la figure 1, ce réducteur R comporte un pignon planétaire 13 solidaire de l’extrémité amont du rotor 8 de turbine basse pression, et des pignons satellites 14 en prise avec les dentures du pignon planétaire 13.
Ces pignons satellites 14 sont montés sur un porte satellite 15 dont l’extrémité amont est reliée au rotor 12 de la soufflante S.
Par ailleurs, des paliers 16 et 17 assurent le guidage en rotation du rotor 12 de la soufflante tandis que le rotor 8 de turbine basse pression est guidé en rotation par un palier 18 agencé en aval du réducteur R.
Ces paliers ainsi que les diverses pièces d’usure du turbofan, telles que les roulements et la pignonnerie, nécessitent une lubrification constante.
A cet effet, des enceintes intérieures du turbofan telle que celles contenant au moins un roulement et/ou le réducteur sont pressurisées et le turbofan est doté de moyen de projection d’huile, de type gicleur, sur les éléments d’usure à lubrifier.
Le turbofan est par ailleurs doté d’un dispositif d’étanchéité 20 pour assurer l’étanchéité entre le rotor 8 de turbine basse pression et le rotor 12 de la soufflante. De manière générale, le dispositif peut être entre un rotor associé à un arbre de la turbomachine et un élément d’un réducteur de la turbomachine susceptible de se déplacer radialement et axialement par rapport à l’arbre.
En référence aux figures 2 et 3, le dispositif d’étanchéité vient se fixer sur l’extrémité amont du rotor 8 de turbine basse pression et vient en appui contre une portée d’étanchéité 21 liée en rotation au rotor 12 de la soufflante.
Le dispositif d’étanchéité constitue une collerette annulaire s’étendant globalement radialement vers l’extérieur à partir du rotor 8 de turbine basse pression en étant inclinée vers l’amont pour reposer en appui élastique contre la portée d’étanchéité 21.
Tel que représenté, le dispositif d’étanchéité 20 comporte un ensemble de fixation, par exemple réalisé en une ou plusieurs pièces, qui constitue une embase annulaire 22, une tête de frottement 23 également annulaire, tournée vers la portée 21 et qui s’étend à proximité immédiate de l’extrémité libre radialement externe de la collerette, et une zone intermédiaire tronconique 24 élastiquement déformable qui s’étend entre l’embase et la tête de frottement.
L’embase 22 vient en appui contre un épaulement 25 pratiqué dans le rotor 8 de turbine basse pression et est maintenu en appui contre cet épaulement au moyen d’un écrou 26, fictivement agrandi sur la figure 2 par souci de clarté.
La tête de frottement 23 comporte une surface de contact 27 convexe, à convexité tournée vers la portée d’étanchéité 21.
Cette surface de contact 27 constitue un bourrelet annulaire en saillie axiale par lequel la tête de frottement vient en contact avec la portée d’étanchéité 21.
Par exemple, la tête de frottement est réalisée en élastomère ou en matériau métallique.
Toutefois, la surface de contact 27 est avantageusement réalisée en un matériau métallique approprié pour assurer un contact étanche et glissant avec la portée d’étanchéité 21.
Avantageusement, cette surface de contact est réalisée en un matériau métallique sensiblement plus tendre que le matériau de la portée d’étanchéité contre laquelle elle flotte.
Par exemple, lorsque cette portée est réalisée en acier, la surface de contact peut être réalisée avec un alliage comprenant un métal plus tendre, par exemple de l’aluminium.
Bien entendu, l’ensemble de la tête de frottement, y compris la surface de contact peut être réalisée en tel matériau métallique.
En ce qui concerne la zone intermédiaire 24, celle-ci comporte avantageusement une âme métallique 28 en un métal élastiquement déformable.
Cette âme métallique 28 est par exemple, tel que représenté, recouverte d’un matériau souple 29, par exemple un élastomère.
Enfin, l’embase, qui permet le blocage axial du dispositif d’étanchéité, est de préférence réalisée en matériau métallique.
On notera que la couche de matériau souple entourant l’âme métallique 28 de la zone intermédiaire est optionnelle. Toutefois, elle est avantageuse dans la mesure où elle permet d’amortir d’éventuelles vibrations et de protéger le dispositif contre une éventuelle corrosion.
L’âme métallique 28 de la zone intermédiaire, qui est réalisée en un matériau élastiquement déformable, autorise une déformation du dispositif d’étanchéité afin de compenser les défauts d’alignement axiaux et radiaux du rotor de compression basse pression et du rotor de la soufflante, l’un par rapport à l’autre. Ainsi, grâce à la déformation de la zone intermédiaire 24 qui assure par ailleurs la tenue mécanique du dispositif d’étanchéité, le contact étanche entre la surface de contact 27 et la piste d’étanchéité 21 est maintenu.
Par exemple, l’âme centrale de la zone intermédiaire et l’embase 22 peuvent être réalisées en une seule pièce métallique.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, la collerette annulaire constitutive du dispositif d’étanchéité s’étend radialement vers l’extérieur en étant inclinée axialement vers l’amont, vers la portée d’étanchéité.
Comme on le conçoit, cet agencement rend le dispositif sensible à la force centrifuge, la collerette ayant tendance à s’élargir lors de la rotation du rotor 8 de turbine basse pression, par déformation de la zone intermédiaire tendant à réduire l’inclinaison de la collerette.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, dans lequel la zone intermédiaire est ici dépourvue de revêtement de matériau souple, pour pallier cet inconvénient, la zone intermédiaire comporte, en variante, une portion coudée 30 de sorte que l’extrémité de la zone intermédiaire portant la tête de frottement 23 et la surface de contact 24 s’étende selon une direction radialement interne vers la portée d’étanchéité 21. Ainsi, la portion coudée comporte un sommet 300 de courbure et deux branches orientées respectivement raccordées à l’embase et à la tête de frottement de manière que le sommet soit radialement extérieur par rapport à l’embase et à la tête de frottement et à leur raccordement associé avec l’embase et la tête de frottement. Dans l’exemple représenté à la figure 4, une branche 322 raccordée à l’embase s’étend radialement de l’embase vers la portion coudée. Cette branche 322 formant un tronc annulaire ne se déforme pas significativement sous l’effet des efforts centrifuges exercés par la tête de frottement. Dans l’exemple représenté à la figure 4, une branche 323 raccordée à la tête de frottement s’étend radialement inclinée à partir de la portion coudée vers la tête et côté intérieur en direction de l’axe de rotation du rotor. Cette branche 323 formant une ramure annulaire se déforme radialement vers l’extérieur et en extension axiale sous l’effet des efforts centrifuges exercés par la tête de frottement.
Ainsi, dans ce mode de réalisation, contrairement au mode de réalisation décrit précédemment, sous l’effet de la force centrifuge, la tête de frottement est plaquée contre la portée d’étanchéité 21.
Dans le mode de réalisation visible de la figure 5, lorsque l’on souhaite, au contraire, augmenter la souplesse de la zone intermédiaire, on peut prévoir plusieurs coudes 31 et 32.
Un tel mode de réalisation est avantageux pour absorber des forts déplacements axiaux entre les arbres.
On notera enfin que dans les divers modes de réalisations décrits précédemment, la piste d’étanchéité 21 contre laquelle la tête de frottement vient prendre appui peut être radiale ou comporter une composante axiale en étant inclinée soit vers l’intérieur soit vers l’extérieur.

Claims (12)

  1. Dispositif d’étanchéité entre un rotor (8) et une portée circonférentielle d’étanchéité (21) mobiles l’un par rapport à l’autre, caractérisé en ce qu’il comprend une embase (22) de fixation du dispositif sur le rotor, une tête de frottement (23) comprenant une surface (27) de contact avec la portée d’étanchéité et une zone intermédiaire (24) déformable élastiquement s’étendant entre l’embase et la tête de frottement, la surface de contact s’étendant en saillie par rapport au raccordement de la tête de frottement avec la zone intermédiaire déformable élastiquement.
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’embase (22) comprend un ensemble de fixation annulaire, la zone intermédiaire (24) et la tête de frottement (23) formant une collerette s’étendant à partir de l’embase selon une direction comprenant une composante radiale.
  3. Dispositif selon une des revendication 1 et 2, dans lequel la tête de frottement (23) est réalisée en un matériau souple et sa surface de contact (27) est réalisée en matériau métallique.
  4. Dispositif selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la tête de frottement (23) est réalisée en matériau métallique.
  5. Dispositif selon une quelque des revendications 1 à 4, dans lequel la zone intermédiaire comprend une âme métallique (28).
  6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l’âme métallique est recouverte de matériau souple.
  7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la zone intermédiaire (24) comprend au moins une portion coudée (30 ; 31, 32).
  8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la portion coudée (30 ; 31, 32) comporte un sommet de courbure et deux branches orientées raccordées à l’embase (22) et à la tête de frottement (23) de manière que le sommet soit radialement extérieur par rapport à l’embase (22) et à la tête de frottement (23).
  9. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la surface de contact (27) est une surface convexe.
  10. Module de turbomachine comprenant un rotor (8) et une portée d’étanchéité circonférentielle (21) mobiles l’un par rapport à l’autre, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif d’étanchéité (20) comprenant une embase (22) de fixation du dispositif sur le rotor, une tête de frottement (23) comprenant une surface de contact (27) avec la portée d’étanchéité et une zone intermédiaire (24) déformable élastiquement s’étendant entre l’embase (22) et la tête de frottement (23), la surface de contact s’étendant en saillie par rapport au raccordement de la tête de frottement avec la zone intermédiaire déformable élastiquement.
  11. Module de turbomachine selon la revendication 10, dans lequel l’embase est solidaire du rotor constitué par un arbre de la turbomachine et la portée d’étanchéité est solidaire d’un élément d’un réducteur de la turbomachine susceptible de se déplacer radialement et axialement par rapport à l’arbre.
  12. Module de turbomachine selon la revendication 10 ou 11, dans lequel le rotor (8) comprend un épaulement (25) et un écrou (26) de fixation de l’embase (22) de fixation contre l’épaulement.
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