WO2014111635A1 - Dispositif d'etancheite inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine - Google Patents

Dispositif d'etancheite inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine Download PDF

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WO2014111635A1 PCT/FR2013/053046 FR2013053046W WO2014111635A1 WO 2014111635 A1 WO2014111635 A1 WO 2014111635A1 FR 2013053046 W FR2013053046 W FR 2013053046W WO 2014111635 A1 WO2014111635 A1 WO 2014111635A1
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elastic segment
shaft
section
sealing device
cross
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Jonathan Boris BAPTISTA
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Snecma
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    • F01D11/003—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by packing rings; Mechanical seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16J15/00—Sealings
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    • F05D2250/36—Arrangement of components in inner-outer relationship, e.g. shaft-bearing arrangements

Definitions

  • the present invention relates to the field of turbomachines and sealing systems between two coaxial rotating shafts.
  • the present invention relates more particularly to a dynamic sealing device arranged between two coaxial rotating shafts of a turbomachine.
  • Such a sealing device is intended to be mounted between an internal shaft and an external shaft.
  • the sealing device comprises an elastic carbon segment, and two metal windows integral with the inner shaft and axially bordering the elastic segment with a clearance - in other words, lying on either side of the elastic segment -, the spacing axial between the two windows being maintained by a spacer.
  • the axial term refers to the axis along which the carbon segment extends; for example, if the carbon segment is cylindrical, then the axial term refers to the axis of the cylinder.
  • the elastic segment is adapted to be pressed radially on the bore of the outer shaft under the effect of a centrifugal force.
  • the elastic segment is conventionally a ring having a slot allowing it to open angularly.
  • the elastic segment is larger in diameter than the inner diameter of the outer shaft. It is kept compressed during its positioning in the bore of the outer shaft, and tends to open under the effect of the centrifugal force related to the rotation of the coaxial shafts. Thus, the elastic segment is rotated by the outer shaft.
  • the elastic segment may be in contact with one of the metal windows, the latter being integral with the internal shaft.
  • the inner shaft and the outer shaft not rotating at the same speed, or even in the same direction, the elastic segment can then disengage from the rotation of the outer shaft.
  • the upper radial surface of the elastic segment thus tends to be machined under the effect of friction between the elastic segment and the outer shaft. This machining is at the origin of a leak reducing the effectiveness of the seal.
  • the elastic segment then requires periodic replacements.
  • the invention aims to provide a sealing device, adapted to operate with rotating co-rotating co-rotating or counter-rotating shafts, to improve the rotational joining of the elastic segment with the outer shaft.
  • the invention proposes a coaxial inter-shaft sealing device of a turbomachine, said device comprising:
  • an elastic segment having:
  • said elastic segment being a profile
  • profile means a product of constant cross section over its entire length, of different section from that of bars, wires, tubes, sheets or strips.
  • the cross section of a profile is in particular not circular.
  • a cylinder or ring is not a profile. It is specified that a cross section is a section in a plane orthogonal to the axis along which the segment extends, the segment extending between the two holding means.
  • the holding means comprise two metal windows.
  • the holding means are integral with the internal shaft; for example, the holding means comprise a central opening allowing them to be positioned around the internal shaft.
  • the holding means being located on either side of the elastic segment, they axially line the elastic segment while allowing axial play of the elastic segment.
  • the term axial refers to the axis along which the elastic segment extends. A width of the elastic segment is defined along this axis, even if this width is possibly small.
  • the axial spacing between the holding means is maintained by a spacer.
  • the elastic segment according to the invention is such that its outer surface is shaped to allow the elastic segment and the outer shaft to be secured in a rotational movement about an axis of rotation of the outer shaft.
  • the outer surface of the elastic segment is not circular in section.
  • the elastic segment is assembled in opposition of shape to an external shaft having a portion whose inner surface is of cross section complementary in shape to the cross section of the outer surface of the elastic segment, a rotation of the segment relative to the shaft external is prevented.
  • the outer surface of the elastic segment is of multi-lobic cross-section.
  • multi-lobic form means a shape comprising at least two lobes, a lobe being a curvilinear pattern. An oval is therefore a multi-lobic form.
  • "Double oval” shapes also called “flower petals” are also multi lobic forms.
  • the outer surface of the elastic segment is of oval cross-section.
  • An egg shape is for example an oval.
  • a circle is not an oval.
  • An elastic segment whose outer surface is of oval cross-section is easy to machine.
  • the outer surface of the elastic segment is of elliptical cross section.
  • an ellipse is an oval.
  • An elastic segment whose outer surface is of elliptical cross section is particularly easy to machine.
  • the elastic segment comprises a slot allowing an angular opening of said segment.
  • the elastic segment tends to open and press against the inner surface of the outer shaft, which contributes to the rotational joining of the segment with the external tree.
  • the invention also relates to a transmission assembly comprising an outer shaft of a turbomachine having two coaxial shafts - an inner shaft and an outer shaft - and a sealing device as mentioned above.
  • the invention also relates to a transmission assembly comprising:
  • an external shaft of a turbomachine comprising two coaxial shafts, comprising a portion whose inner surface is of multi-lobic cross section, said inner surface being adapted to cooperate with an outer surface of an elastic segment of a sealing device according to the invention
  • the outer surface of the elastic segment being of multi-lobic cross section.
  • the outer shaft thus has a portion whose inner surface is adapted to cooperate with an outer surface of an elastic segment of a sealing device according to the invention, said inner surface being shaped such that the elastic segment and the external shaft are secured in a rotational movement about an axis of rotation of the outer shaft.
  • the inner surface of the outer shaft is of oval cross section
  • the outer surface of the elastic segment is of oval cross section
  • the inner surface of the outer shaft is of elliptical cross section
  • the outer surface of the elastic segment is of elliptical cross section
  • FIG. 1 schematically illustrates a coaxial shaft intermeshing device of a turbomachine, according to one embodiment of the invention, for isolating two speakers with different pressure
  • FIG. 2 schematically illustrates the sealing device of Figure 1 in position between an inner shaft and an outer shaft
  • FIG. 3 schematically illustrates an elastic segment of the device sealing of Figure 1, according to one embodiment of the invention.
  • Figure 1 is a perspective view of a slice of a sealing device 1 inter-turbine shaft.
  • said sealing device 1 is shown positioned between an internal shaft 2 and an external shaft 3, the inner shaft 1 and the outer shaft 3 being coaxial.
  • a cross-sectional view of elements of FIG. 2 along a sectional plane AA is shown in FIG.
  • the sealing device 1 comprises:
  • an elastic segment 4 of carbon or metal type presenting:
  • the metal windows 8, 9 are integral with the inner shaft 1 .
  • the internal shaft 1 advantageously comprises a positioning stop 1 1 to facilitate the mounting and positioning of the sealing device 1.
  • the outer surface 6 of the elastic segment 4 is of elliptical cross section.
  • the inner surface 7 of the portion P of the outer shaft 3 is of elliptical cross section.
  • An ellipse is indeed a simple form of machining.
  • the outer surface 6 of the elastic segment 4 and the inner surface 7 of the portion P of the outer shaft 3 are of complementary shapes.
  • the ratio between the half-major axis a and the half-minor axis b is greater than 1.05 in order to maximize the geometrical stress, within the limits of the manufacturing constraints of the outer shaft 3 and the elastic segment 4.
  • 3 are of non-elliptical oval shape, or of non-oval multi-lobic shape, for example of "double oval” or “flower petals” shape.
  • the important feature of the outer surface 6 of the elastic segment 4 and the inner surface 7 of the portion P of the outer shaft 3 is not to be of circular section, in order to join in rotation the elastic segment
  • the elastic segment 4 is a profile, that is to say a product of constant cross section over its entire length, of different section from that of the bars, son, tubes, sheets or strips. Indeed, the outer surface 6 of elastic segment 4 is of non-circular cross section, unlike that of a tube.
  • the elastic segment 4 advantageously comprises a slot 12 allowing an angular opening of said elastic segment 4, as illustrated in FIG. 3.
  • the elastic segment 4 tends to open and press against the inner surface 7 of the outer shaft 3, which contributes to the rotational joining of the elastic segment 4 with the outer shaft 3.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sealing Devices (AREA)
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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité (1 ) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, ledit dispositif comportant; un segment élastique (4) présentant, une ouverture centrale (5) circulaire permettant une liaison glissière avec un arbre interne (1 ), une surface externe (6) adaptée pour coopérer avec une surface interne (7) d'une portion (P) d'un arbre externe (3), deux moyens de maintien (8, 9) situés de part et d'autre dudit segment élastique (4) et autorisant un jeu axial dudit segment élastique (4), ledit dispositif étant caractérisé en ce que le segment élastique (4) est un profilé.

Description

DISPOSITIF D'ETANCHEITE INTER-ARBRES COAXIAUX D'UNE
TURBOMACHINE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines et des systèmes d'étanchéité entre deux arbres tournants coaxiaux.
La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d'étanchéité dynamique agencé entre deux arbres tournants coaxiaux d'une turbomachine.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans une turbomachine, il est nécessaire de définir et d'isoler une enceinte entourant un organe mécanique tel qu'un roulement ou un pignon installé entre deux arbres tournants, tels que par exemple le rotor haute pression et le rotor basse pression. Dans cette enceinte, l'huile est injectée pour lubrifier et refroidir l'organe mécanique. L'isolation de l'enceinte nécessite notamment un dispositif d'étanchéité entre les deux arbres tournants coaxiaux. On appelle « arbre interne » l'arbre de plus faible diamètre, et « arbre externe » l'arbre de plus grand diamètre.
Il est connu d'utiliser des dispositifs d'étanchéité sans contact dans ce type d'application. Cependant, les dispositifs d'étanchéité sans contact, du type labyrinthes, nécessitent un débit d'air important et il est parfois difficile d'obtenir la pressurisation souhaitée de l'enceinte. De plus, un mélange air- huile se crée dans l'enceinte ce qui nécessite un dispositif de déshuilage avant l'évacuation de l'air. Le compromis est donc difficile à établir et ces dispositifs d'étanchéité ne permettent pas toujours d'obtenir les performances visées. Enfin, ce type de joint nécessite la présence d'un dispositif de déshuilage qui est coûteux, encombrant et lourd du fait du débit d'air huilé important à traiter.
Il est également connu d'utiliser des dispositifs d'étanchéité avec contact. Un tel dispositif d'étanchéité est destiné à être monté entre un arbre interne et un arbre externe. Le dispositif d'étanchéité comporte un segment carbone élastique, et deux glaces métalliques solidaires de l'arbre interne et bordant axialement le segment élastique avec un jeu - autrement dit, se trouvant de part et d'autre du segment élastique -, l'espacement axial entre les deux glaces étant maintenu par une entretoise. Le terme axial se réfère à l'axe selon lequel s'étend le segment carbone ; par exemple, si le segment carbone est de forme cylindrique, alors le terme axial se réfère à l'axe du cylindre.
Le segment élastique est adapté pour venir se plaquer radialement sur l'alésage de l'arbre externe sous l'effet d'une force centrifuge. En effet, le segment élastique est classiquement un anneau comportant une fente lui permettant de s'ouvrir angulairement. Le segment élastique est de diamètre supérieur au diamètre interne de l'arbre externe. Il est maintenu comprimé lors de son positionnement dans l'alésage de l'arbre externe, et tend à s'ouvrir sous l'effet de la force centrifuge liée à la rotation des arbres coaxiaux. Ainsi, le segment élastique est entraîné en rotation par l'arbre externe.
Or, sous l'effet d'une différence de pression de part et d'autre du dispositif d'étanchéité, le segment élastique peut être en contact avec une des glaces métalliques, ces dernières étant solidaires de l'arbre interne. L'arbre interne et l'arbre externe ne tournant pas à la même vitesse, voire dans le même sens, le segment élastique peut alors se désolidariser de la rotation de l'arbre externe. La surface radiale supérieure du segment élastique tend ainsi à être usinée sous l'effet du frottement entre le segment élastique et l'arbre externe. Cet usinage est à l'origine d'une fuite réduisant l'efficacité de l'étanchéité. Le segment élastique nécessite alors des remplacements périodiques. DESCRIPTION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
Dans ce contexte, l'invention vise à fournir un dispositif d'étanchéité, adapté pour fonctionner avec des arbres coaxiaux tournants co-rotatifs ou contre- rotatifs, permettant d'améliorer la solidarisation en rotation du segment élastique avec l'arbre externe.
A cette fin, l'invention propose un dispositif d'étanchéité inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, ledit dispositif comportant :
- un segment élastique présentant :
o une ouverture centrale circulaire permettant une liaison glissière avec un arbre interne,
o une surface externe adaptée pour coopérer avec une surface interne d'une portion d'un arbre externe,
- deux moyens de maintien situés de part et d'autre dudit segment élastique et autorisant un jeu axial dudit segment,
ledit segment élastique étant un profilé.
On entend par « profilé » un produit de section transversale constante sur toute sa longueur, de section différente de celle des barres, fils, tubes, tôles ou bandes. La section transversale d'un profilé n'est notamment pas circulaire. Un cylindre ou un anneau n'est donc pas un profilé. On précise qu'une section transversale est une section selon un plan orthogonal à l'axe selon lequel s'étend le segment, le segment s'étendant entre les deux moyens de maintien.
Dans un mode de réalisation, les moyens de maintien comportent deux glaces métalliques. Dans un mode de réalisation, les moyens de maintien sont solidaires de l'arbre interne ; par exemple, les moyens de maintien comportent une ouverture centrale leur permettant de se positionner autour de l'arbre interne. Les moyens de maintien se situant de part et d'autre du segment élastique, ils bordent axialement le segment élastique tout en permettant un jeu axial du segment élastique. Le terme axial se réfère à l'axe selon lequel s'étend le segment élastique. Une largeur du segment élastique est définie selon cet axe, même si cette largeur est éventuellement faible. Dans un mode de réalisation, l'espacement axial entre les moyens de maintien est maintenu par une entretoise. Le segment élastique selon l'invention est tel que sa surface externe est de forme permettant au segment élastique et à l'arbre externe d'être solidaires selon un mouvement de rotation autour d'un axe de rotation de l'arbre externe. En effet, la surface externe du segment élastique n'est pas de section circulaire. Lorsque le segment élastique est assemblé par opposition de forme à un arbre externe comportant une portion dont la surface interne est de section transversale de forme complémentaire à la section transversale de la surface externe du segment élastique, une rotation du segment par rapport à l'arbre externe est empêchée. Selon un mode de réalisation de l'invention, la surface externe du segment élastique est de section transversale multi lobique. On entend par « forme multi lobique » une forme comprenant au moins deux lobes, un lobe étant un tracé curviligne. Un ovale est donc une forme multi lobique. Les formes en « double ovale » aussi appelées « pétales de fleurs » sont également des formes multi lobiques.
En particulier, selon un mode de réalisation de l'invention, la surface externe du segment élastique est de section transversale ovale. Une forme d'œuf est par exemple un ovale. On note qu'un cercle n'est pas un ovale. Un segment élastique dont la surface externe est de section transversale ovale est facile à usiner.
Selon un mode de réalisation préféré, la surface externe du segment élastique est de section transversale elliptique. On note qu'une ellipse est un ovale. Un segment élastique dont la surface externe est de section transversale elliptique est particulièrement facile à usiner.
Selon un mode de réalisation particulier, le segment élastique comporte une fente permettant une ouverture angulaire dudit segment. Ainsi, sous l'effet de la force centrifuge liée à la rotation des arbres coaxiaux, le segment élastique tend à s'ouvrir et se plaquer contre la surface interne de l'arbre externe, ce qui contribue à la solidarisation en rotation du segment avec l'arbre externe. L'invention a également pour objet un ensemble de transmission comportant un arbre externe d'une turbomachine comportant deux arbres coaxiaux - un arbre interne et un arbre externe - et un dispositif d'étanchéité tel qu'évoqué précédemment. L'invention a également pour objet un ensemble de transmission comportant :
- un arbre externe d'une turbomachine comportant deux arbres coaxiaux, comprenant une portion dont une surface interne est de section transversale multi lobique, ladite surface interne étant adaptée pour coopérer avec une surface externe d'un segment élastique d'un dispositif d'étanchéité selon l'invention
- un dispositif d'étanchéité selon l'invention, la surface externe du segment élastique étant de section transversale multi lobique.
L'arbre externe comporte ainsi une portion dont une surface interne est adaptée pour coopérer avec une surface externe d'un segment élastique d'un dispositif d'étanchéité selon l'invention, ladite surface interne étant de forme telle que le segment élastique et l'arbre externe sont solidaires selon un mouvement de rotation autour d'un axe de rotation de l'arbre externe.
En particulier, selon un mode de réalisation de l'invention, la surface interne de l'arbre externe est de section transversale ovale, et la surface externe du segment élastique est de section transversale ovale.
En particulier, selon un mode de réalisation de l'invention, la surface interne de l'arbre externe est de section transversale elliptique, et la surface externe du segment élastique est de section transversale elliptique. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre schématiquement un dispositif d'étanchéité inter- arbres coaxiaux d'une turbomachine, selon un mode de réalisation de l'invention, permettant d'isoler deux enceintes à pression différente ;
- la figure 2 illustre schématiquement le dispositif d'étanchéité de la figure 1 en position entre un arbre interne et un arbre externe ;
- la figure 3 illustre schématiquement un segment élastique du dispositif d'étanchéité de la figure 1 , selon un mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION
Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence sauf précision contraire.
La figure 1 est une vue en perspective d'une tranche d'un dispositif d'étanchéité 1 inter-arbre de turbomachine. A la figure 2, ledit dispositif d'étanchéité 1 est montré positionné entre un arbre interne 2 et un arbre externe 3, l'arbre interne 1 et l'arbre externe 3 étant coaxiaux. Enfin, une vue transversale en coupe d'éléments de la figure 2 selon un plan de coupe AA est représentée à la figure 3.
Le dispositif d'étanchéité 1 comporte :
- un segment élastique 4 de type carbone ou métallique, présentant :
o une ouverture centrale 5 circulaire permettant une liaison glissière avec l'arbre interne 1 ,
o une surface externe 6 adaptée pour coopérer avec une surface interne 7 d'une portion P de l'arbre externe 3. On note que ladite portion P peut être toute la longueur de l'arbre externe 3.
- deux glaces métalliques 8, 9, aussi appelées moyens de maintien, situées de part et d'autre dudit segment élastique 4 et autorisant un jeu axial J dudit segment élastique 4. Les glaces métalliques 8, 9 sont solidaires de l'arbre interne 1 .
- une entretoise 10 solidaire de l'arbre interne 1 permettant de maintenir espacées les deux glaces métalliques 8, 9 lors du fonctionnement de la turbomachine.
L'arbre interne 1 comporte avantageusement une butée de positionnement 1 1 permettant de faciliter le montage et le positionnement du dispositif d'étanchéité 1 .
Comme le montre la figure 3, la surface externe 6 du segment élastique 4 est de section transversale elliptique. De même, la surface interne 7 de la portion P de l'arbre externe 3 est de section transversale elliptique. Une ellipse est en effet une forme simple d'usinage. La surface externe 6 du segment élastique 4 et la surface interne 7 de la portion P de l'arbre externe 3 sont de formes complémentaires.
Avantageusement, le rapport entre le demi-grand axe a et le demi-petit axe b est supérieur à 1 ,05 afin de maximiser la contrainte géométrique, dans la limite des contraintes de fabrication de l'arbre externe 3 et du segment élastique 4.
Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, la surface externe 6 du segment élastique 4 et la surface interne 7 de la portion P de l'arbre externe
3 sont de forme ovale non elliptique, ou encore de forme multi lobique non ovale, par exemple de forme « double ovale » ou « pétales de fleurs ».
La caractéristique importante de la surface externe 6 du segment élastique 4 et de la surface interne 7 de la portion P de l'arbre externe 3 est de ne pas être de section circulaire, afin de solidariser en rotation le segment élastique
4 et l'arbre externe 3 selon un mouvement de rotation autour de l'axe de rotation des axes coaxiaux.
Le segment élastique 4 est donc un profilé, c'est-à-dire un produit de section transversale constante sur toute sa longueur, de section différente de celle des barres, fils, tubes, tôles ou bandes. En effet, la surface externe 6 du segment élastique 4 est de section transversale non circulaire, contrairement à celle d'un tube.
Le segment élastique 4 comporte avantageusement une fente 12 permettant une ouverture angulaire dudit segment élastique 4, comme illustré à la figure 3. Ainsi, sous l'effet de la force centrifuge liée à la rotation des arbres coaxiaux 2, 3, le segment élastique 4 tend à s'ouvrir et se plaquer contre la surface interne 7 de l'arbre externe 3, ce qui contribue à la solidarisation en rotation du segment élastique 4 avec l'arbre externe 3.

Claims
Dispositif d'étanchéité (1 ) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, ledit dispositif comportant :
- un segment élastique (4) présentant :
o une ouverture centrale (5) circulaire permettant une liaison glissière avec un arbre interne (1 ),
o une surface externe (6) adaptée pour coopérer avec une surface interne (7) d'une portion (P) d'un arbre externe
(3),
- deux moyens de maintien (8, 9) situés de part et d'autre dudit segment élastique (4) et autorisant un jeu axial dudit segment élastique (4),
ledit dispositif étant caractérisé en ce que le segment élastique (4) est un profilé.
Dispositif d'étanchéité (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface externe (6) du segment élastique (4) est de section transversale multi lobique.
Dispositif d'étanchéité (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface externe (6) du segment élastique (4) est de section transversale ovale.
Dispositif d'étanchéité (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface externe (6) du segment élastique
(4) est de section transversale elliptique.
5. Dispositif d'étanchéité (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le segment élastique (4) comporte une fente permettant une ouverture angulaire dudit segment élastique (4).
Dispositif d'étanchéité (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface externe
(6) est de forme telle que le segment élastique (4) et l'arbre externe (3) sont solidaires selon un mouvement de rotation autour d'un axe de rotation de l'arbre externe (3).
Ensemble de transmission comportant :
- un arbre externe (3) d'une turbomachine comportant deux arbres coaxiaux, comprenant une portion (P) dont une surface interne (7) est de section transversale multi lobique, ladite surface interne
(7) étant adaptée pour coopérer avec une surface externe (6) d'un segment élastique (4) d'un dispositif d'étanchéité (1 )
- un dispositif d'étanchéité (1 ) selon l'une des revendications 1 à 6, la surface externe (6) du segment élastique (4) étant de section transversale multi lobique.
8. Ensemble de transmission selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface interne (7) de l'arbre externe (3) est de section transversale ovale, et la surface externe (6) du segment élastique (4) est de section transversale ovale.
9. Ensemble de transmission selon la revendication 8, caractérisé en ce que la surface interne (7) de l'arbre externe (3) est de section transversale elliptique, et la surface externe (6) du segment élastique (4) est de section transversale elliptique.
PCT/FR2013/053046 2013-01-17 2013-12-12 Dispositif d'etancheite inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine WO2014111635A1 (fr)

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