EP1580403A1 - Joint d'étanchéité entre les carters intérieur et extérieur d'une section de turboréacteur - Google Patents
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- EP1580403A1 EP1580403A1 EP05290664A EP05290664A EP1580403A1 EP 1580403 A1 EP1580403 A1 EP 1580403A1 EP 05290664 A EP05290664 A EP 05290664A EP 05290664 A EP05290664 A EP 05290664A EP 1580403 A1 EP1580403 A1 EP 1580403A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
Definitions
- the invention relates to the sealing between two enclosures of a turbojet engine delimited by crankcases and subjected to pressure different.
- turbojet section having an outer casing having a radially extending surface inward, an inner casing having a substantially axial wall which extends towards said surface and a seal disposed between said wall and said surface and intended to ensure the seal between the regions to high and low pressures located on either side of said seal.
- a turbojet engine has an annular channel in which circulates a hot working fluid whose temperature and pressure vary depending on the power demanded from the motor. These variations of temperature causes dilation of the casings surrounding the channel, and certain parts, particularly at the turbine level, subject to highest temperatures require cooling with air fresh under high pressure. Cooling is carried out by a air sampling at a stage of the high pressure compressor. This cooling air circulates in enclosures arranged between a outer casing and an inner casing of the compressor and turbines.
- FIG. 1 Another technique used in a high compressor pressure, shown in Figure 1, is to position between two radial surfaces provided, facing each other, one on the outer casing and the other on the inner casing, an Omega-type annular seal present in the form of a bellows maintained in compression between said two surfaces.
- this Omega seal is held radially between two annular complementary axial walls, formed one on the housing inside and the other on the outer casing, of which at least one extends the radial surface of the other housing and may be subject to constraints axial under certain operating conditions of the turbojet engine. This requires additional machining operations to achieve these complementary axial walls which, under certain conditions, prevent free expansion of the inner casing relative to the outer casing.
- the invention has the primary purpose of sealing between two casings of a turbojet section, through the implementation of of a new type of seal better adapted to the conditions of operation.
- Another object of the invention is to propose a type of seal which simplify crankcase structure at the location of the zone to quench.
- the invention achieves its goal by the fact that the seal is realized in the form of a ring annular ferrule having a first substantially cylindrical portion sealingly attached to a face of the axial wall and a second part extending said first part, and located in the space between said axial wall of said surface radial, said second part having, in section along a radial plane containing the axis of the turbojet, a V-shaped profile and having a portion end bearing slidingly and sealingly against said radial surface.
- the proposed joint is thus in the form of a ring in sheet having a first cylindrical portion which is enclosed on the wall cylindrical inner casing, and a second part consisting of two conical portions connected together, and whose median portion is connected to the first cylindrical part, the free end of the other frustoconical portion being in sliding support on the radial surface of the outer casing.
- the radial wall of the inner casing and the axial walls complementary to the two state-of-the-art housings no longer utility and can be deleted.
- the first part of the seal can be fixed on the axial wall of the internal casing by riveting or bolting.
- the first part preferably includes a redan which cooperates with a complementary projection formed on the adjacent face of the axial wall, which ensures the stop in axial translation of the seal relative to the inner casing.
- the second part is placed in axial compression during assembly of the inner casing on the outer casing.
- the end portion of the second part is curved so that its external axial face bears on said surface radial.
- the seal according to the invention is configured in such a way that the pressure difference between high and low pressure regions positively the end portion of the second part to the surface radial.
- the tip of the V-shaped section is arranged radially under the axial wall, and vice versa if the low pressure is radially outside the inner casing, the second part is disposed above the axial wall of the inner casing.
- the seal according to the invention is particularly suitable for a high-pressure compressor of a turbojet, but it can also be used for other parts of a turbomachine, particularly at level of stator housings or turbine stators.
- FIG 1 shows a stator 1 of a high compressor pressure, according to the state of the art, which equips a turbojet engine.
- This stator 1 comprises an inner casing 2 and an outer casing 3 connected in upstream by bolting flanges 4 and 5 respectively provided on a annular wall 6 of the outer casing 3 and on an annular wall substantially axial 7 of the inner casing 2.
- the annular wall 7 is extends downstream and its substantially cylindrical end 8 connected, facing a radial surface 9 integral with the outer casing 2, a second radial wall 10 connected itself to an axial wall complementary 11 which extends to the radial surface 9 of the housing 2.
- the wall axial 11 and the second radial wall 10 houses a joint 13 Omega type which bears on the radial surface 9 of the outer casing 3 and on the face vis-à-vis the radial wall 10 of the inner housing 2.
- a second axial wall 16 is provided on the outer casing 3 above the groove 12.
- the Omega 13 seal is intended to seal between the enclosure 14 located under the outer casing 3, where there is a pressure P1, and the enclosure 15 located under the end 8 of the axial wall 7 where there is a pressure P2 less than the pressure P1.
- Figures 2 and 3 show the changes made to the end 8 of the axial wall 7 and the new seal 20 proposed by the invention for sealing between the end 8 of the axial wall 7 of the inner casing 2 and the radial surface 9 of the outer casing 3.
- the radial wall 10 and the axial wall complementary 11 have no more utility and can be totally eliminated, which facilitates the machining of the downstream end 8 of the wall 7.
- the second axial wall 16 of the outer casing 3 can also be deleted.
- the seal 20 is in the form of an annular ring in sheet metal having two parts 21 and 22 having distinct functions.
- the first part 21 is substantially cylindrical and its diameter is equal to the outside diameter of the end portion 8 of the wall ring 7 of the inner casing 2, so that it can be fitted on this end portion 8.
- the second part 22, which constitutes the seal seal itself, is arranged in the space 23 separating the end face 8a of the axial wall 7 and the radial surface 9, and present in section, in a radial plane containing the axis of the turbojet engine, a V-section or flared U-section
- This second part 22 thus comprises two portions frustoconical 24 and 25 interconnected by a shaped portion 26 of annular gutter.
- the medial frustoconical portion 24 is connected to the first part 21 by an annular portion 27 whose face convex 27a is located on the side of the chamber 14 in which there is a fluid at the pressure P1 and at the temperature t1, the pressure P1 being greater than the pressure P2 prevailing in the chamber 15 located under the wall axial 7 of the inner casing 2.
- the other frustoconical portion 25 is slightly curved near its free end, so that its end portion 25a has on its opposite side to the first part 21 a convex annular surface in sliding support on the radial surface 9 of the outer casing 3.
- the annular volume between the two portions frustoconical 24 and 25 is thus in the enclosure 14 at high pressure, and the pressure differences on both sides of the second part 22 tend to separate the frustoconical portion 24 of the frustoconical portion 25, which ensures the seal between the two enclosures 14 and 15, during the relative axial or radial displacements between the end 8 of the wall axial 7 and the radial surface 9 of the outer enclosure.
- the first part 21 is fixed by brazing on the external face of the axial wall 7.
- the first portion 21 advantageously has a redan 30 which cooperates with a complementary projection 31 formed on the outer face of the wall axial 7, to ensure a stop in translation of the seal 20.
- the first part 21 of the seal 20 and the end 8 of the axial wall 7 of the casing inside 2 have corresponding holes for fastening the seal 20 on the end 8 of the axial wall by bolting or by riveting.
- the second part 22 is put into compression when mounting the inner casing 2 on the outer casing 3.
- the geometry of this second part 22 is calculated so as to provide significant flexibility.
- the section of the seal 20 is sufficiently large to allow to absorb more relative displacements important than those allowed by the current Omega seal and allows the use of a thicker sheet, which reduces the impact to the wear of the faces in contact and makes the seal 20 more tolerant to vibration.
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Abstract
L'invention concerne une section de turboréacteur comportant un carter externe ayant une surface (9) qui s'étend radialement vers l'intérieur, un carter interne ayant une paroi (8) sensiblement axiale qui s'étend vers ladite surface, et un joint d'étanchéité (20) disposé entre ladite paroi et ladite surface et destiné à assurer l'étanchéité entre les régions à haute et basse pressions situés de part et d'autre dudit joint, caractérisée par le fait que ledit joint est réalisé sous la forme d'une virole annulaire en tôle présentant une première partie (21) sensiblement cylindrique fixée de manière étanche sur une face de la paroi axiale (8) et une deuxième partie (22) prolongeant ladite première partie et située dans l'espace (23) séparant ladite paroi axiale de ladite surface radiale, ladite deuxième partie présentant, en coupe selon un plan radial contenant l'axe du turboréacteur, un profil en V et présentant une portion d'extrémité (25a) en appui coulissant et étanche contre ladite surface radiale (9). <IMAGE>
Description
L'invention concerne l'étanchéité entre deux enceintes d'un
turboréacteur délimitées par des carters et soumises à des pressions
différentes.
Elle concerne plus précisément une section de turboréacteur
comportant un carter extérieur ayant une surface qui s'étend radialement
vers l'intérieur, un carter intérieur ayant une paroi sensiblement axiale qui
s'étend vers ladite surface et un joint d'étanchéité disposé entre ladite
paroi et ladite surface et destiné à assurer l'étanchéité entre les régions à
haute et basse pressions situées de part et d'autre dudit joint.
Un turboréacteur comporte un canal annulaire dans lequel
circule un fluide chaud de travail dont la température et la pression varient
en fonction de la puissance demandée au moteur. Ces variations de
température entraínent des dilatations des carters entourant le canal, et
certaines pièces, notamment au niveau des turbines, soumises aux
températures les plus élevées, nécessitent un refroidissement par un air
frais sous haute pression. Le refroidissement est réalisé par un
prélèvement d'air au niveau d'un étage du compresseur haute pression.
Cet air de refroidissement circule dans des enceintes ménagées entre un
carter extérieur et un carter intérieur des sections de compresseur et de
turbines.
Du fait des variations de charge, qui entraínent des variations
de température et de dilatation des carters, des jeux sont prévus entre les
extrémités des deux carters de chaque section, opposées aux extrémités
fixées entre elles par boulonnage. Pour éviter les fuites, entre l'enceinte
soumise à une haute pression et l'enceinte soumise à une pression plus
faible, ce qui conduirait à une baisse de rendement du moteur, il est
nécessaire d'étancher les jeux par des joints dilatables supportant les
écarts de pression et de température entre les deux enceintes.
US 6 431 555 et US 6 464 457 montrent des joints annulaires
constitués par une pluralité de segments à lamelles retenus par des
broches sur le carter interne et maintenus en appui sur deux sièges
respectifs des deux carters par des ressorts. Ces dispositions nécessitent
beaucoup de main d'oeuvre au montage et des fuites peuvent encore se
produire entre des lamelles voisines.
Une autre technique employée dans un compresseur haute
pression, montrée sur la figure 1, consiste à positionner entre deux
surfaces radiales prévues, en vis à vis, l'une sur le carter extérieur et
l'autre sur le carter intérieur, un joint annulaire de type Oméga qui se
présente sous la forme d'un soufflet maintenu en compression entre
lesdites deux surfaces.
Du fait de déplacements relatifs importants en fonctionnement
entre les deux carters formant la cavité du joint, dans des directions à la
fois radiales et axiales, ce joint Oméga se dégrade rapidement et se
fractionne en plusieurs morceaux. L'étanchéité n'est alors plus assurée de
manière satisfaisante, ce qui peut entraíner un réchauffement de l'air de
refroidissement de la turbine, et une modification des jeux radiaux
pouvant dégrader la marge au pompage du compresseur.
En outre, ce joint Oméga est maintenu radialement entre deux
parois axiales complémentaires annulaires, formées l'une sur le carter
intérieur et l'autre sur le carter extérieur, dont l'une au moins s'étend vers
la surface radiale de l'autre carter et peut être soumise à des contraintes
axiales dans certaines conditions de fonctionnement du turboréacteur.
Ceci exige des opérations supplémentaires d'usinage pour réaliser ces
parois axiales complémentaires qui, dans certaines conditions, empêchent
une dilatation libre du carter intérieur par rapport au carter extérieur.
L'invention a pour premier but d'assurer une étanchéité
pérenne entre deux carters d'une section de turboréacteur, par la mise en
place d'un nouveau type de joint mieux adapté aux conditions de
fonctionnement.
Un autre but de l'invention est de proposer un type de joint qui
permette de simplifier la structure des carters à l'emplacement de la zone
à étancher.
L'invention atteint son but par le fait que le joint est réalisé
sous la forme d'une virole annulaire en tôle présentant une première
partie sensiblement cylindrique fixée de manière étanche sur une face de
la paroi axiale et une deuxième partie prolongeant ladite première partie,
et située dans l'espace séparant ladite paroi axiale de ladite surface
radiale, ladite deuxième partie présentant, en coupe selon un plan radial
contenant l'axe du turboréacteur, un profil en V et présentant une portion
d'extrémité en appui coulissant et étanche contre ladite surface radiale.
Le joint proposé se présente ainsi sous la forme d'un anneau en
tôle ayant une première partie cylindrique qui s'emmanche sur la paroi
cylindrique du carter intérieur, et une deuxième partie constituée par deux
portions tronconiques raccordées entre elles, et dont la portion médiane
est raccordée à la première partie cylindrique, l'extrémité libre de l'autre
portion tronconique étant en appui coulissant sur la surface radiale du
carter externe.
La paroi radiale du carter interne et les parois axiales
complémentaires des deux carters de l'état de la technique n'ont plus
d'utilité et peuvent être supprimées.
La première partie du joint peut être fixée sur la paroi axiale du
carter interne par rivetage ou boulonnage.
Elle peut avantageusement être fixée sur la paroi axiale du
carter interne par brasage, ce qui améliore l'étanchéité dans cette zone.
Dans ce cas, la première partie comporte de préférence un redan qui
coopère avec un ressaut complémentaire formé sur la face adjacente de la
paroi axiale, ce qui assure l'arrêt en translation axiale du joint par rapport
au carter interne.
Pour assurer l'étanchéité dans toutes les conditions de vol,
la deuxième partie est mise en compression axiale lors du montage du
carter interne sur le carter externe.
Afin d'améliorer le coulissement radial du joint sur la surface
radiale du carter externe, la portion d'extrémité de la deuxième partie est
recourbée afin que sa face axiale externe soit en appui sur ladite surface
radiale.
Le joint selon l'invention est configuré de telle manière que la
différence de pression entre les régions à haute et basse pressions sollicite
positivement la portion d'extrémité de la deuxième partie vers la surface
radiale. Autrement dit, si la région à haute pression est radialement à
l'extérieur du carter interne, la pointe de la section en V est disposée
radialement sous la paroi axiale, et inversement si la région à basse
pression est radialement à l'extérieur du carter interne, la deuxième partie
est disposée au-dessus de la paroi axiale du carter interne.
Le joint selon l'invention est particulièrement adapté pour un
compresseur haute pression d'un turboréacteur, mais il peut également
être utilisé pour d'autres pièces d'une turbomachine, notamment au
niveau des carters de redresseurs ou des stators de turbine.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront
à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple et en
référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 montre un stator 1 d'un compresseur haute
pression, selon l'état de la technique, qui équipe un turboréacteur.
Ce stator 1 comporte un carter intérieur 2 et un carter extérieur 3 reliés en
amont par boulonnage de brides 4 et 5 prévues respectivement sur une
paroi annulaire 6 du carter extérieur 3 et sur une paroi annulaire
sensiblement axiale 7 du carter intérieur 2. La paroi annulaire 7 se
prolonge vers l'aval et son extrémité 8 sensiblement cylindrique se
raccorde, en regard d'une surface radiale 9 solidaire du carter extérieur 2,
à une deuxième paroi radiale 10 raccordée elle-même à une paroi axiale
complémentaire 11 qui s'étend jusqu'à la surface radiale 9 du carter
extérieur 2. Dans la rainure 12, délimitée par la surface radiale 9, la paroi
axiale 11 et la deuxième paroi radiale 10, loge un joint 13 de type Oméga
qui est en appui sur la surface radiale 9 du carter extérieur 3 et sur la face
en vis-à-vis de la paroi radiale 10 du carter intérieur 2. Une deuxième
paroi axiale 16 est prévue sur le carter extérieur 3 au-dessus de la
rainure 12.
Le joint Oméga 13 est destiné à assurer l'étanchéité entre
l'enceinte 14 située sous le carter extérieur 3, où règne une pression P1,
et l'enceinte 15 située sous l'extrémité 8 de la paroi axiale 7 où règne une
pression P2 inférieure à la pression P1.
Les figures 2 et 3 montrent les modifications apportées à
l'extrémité 8 de la paroi axiale 7 et le nouveau joint 20 proposé par
l'invention pour assurer l'étanchéité entre l'extrémité 8 de la paroi axiale 7
du carter intérieur 2 et la surface radiale 9 du carter extérieur 3.
Selon l'invention, la paroi radiale 10 et la paroi axiale
complémentaire 11, n'ont plus d'utilité et peuvent être totalement
éliminées, ce qui facilite l'usinage de l'extrémité aval 8 de la paroi
annulaire 7. La deuxième paroi axiale 16 du carter externe 3 peut
également être supprimée.
Le joint 20 se présente sous la forme d'une virole annulaire en
tôle comportant deux parties 21 et 22 ayant des fonctions distinctes.
La première partie 21 est sensiblement cylindrique et son diamètre est
égal au diamètre extérieur de la portion d'extrémité 8 de la paroi
annulaire 7 du carter intérieur 2, afin qu'elle puisse être emmanchée sur
cette portion d'extrémité 8. La deuxième partie 22, qui constitue le joint
d'étanchéité proprement dit, est disposée dans l'espace 23 séparant la
face d'extrémité 8a de la paroi axiale 7 et la surface radiale 9, et présente
en coupe, selon un plan radial contenant l'axe du turboréacteur, une
section en V ou en U évasé
Cette deuxième partie 22 comporte ainsi deux portions
tronconiques 24 et 25 raccordées entre elles par une portion 26 en forme
de gouttière annulaire. La portion tronconique médiane 24 est raccordée à
la première partie 21 par une portion annulaire 27 dont la face
convexe 27a est située du côté de l'enceinte 14 dans laquelle règne un
fluide à la pression P1 et à la température t1, la pression P1 étant
supérieure à la pression P2 régnant dans l'enceinte 15 située sous la paroi
axiale 7 du carter intérieur 2.
L'autre portion tronconique 25 est légèrement recourbée près
de son extrémité libre, afin que sa portion d'extrémité 25a présente sur sa
face opposée à la première partie 21 une surface annulaire convexe en
appui coulissant sur la surface radiale 9 du carter extérieur 3.
Le volume annulaire situé entre les deux portions
tronconiques 24 et 25 se trouve ainsi dans l'enceinte 14 à haute pression,
et les différences de pression sur les deux faces de la deuxième partie 22
tendent à écarter la portion tronconique 24 de la portion tronconique 25,
ce qui assure l'étanchéité entre les deux enceintes 14 et 15, lors des
déplacements axiaux ou radiaux relatifs entre l'extrémité 8 de la paroi
axiale 7 et la surface radiale 9 de l'enceinte extérieure.
Dans le mode de réalisation montré sur la figure 2, la première
partie 21 est fixée par brasage sur la face externe de la paroi axiale 7.
La première partie 21 présente avantageusement un redan 30 qui coopère
avec un ressaut complémentaire 31 formé sur la face externe de la paroi
axiale 7, pour assurer un arrêt en translation du joint 20.
Dans le mode de réalisation montré sur la figure 3, la première
partie 21 du joint 20 et l'extrémité 8 de la paroi axiale 7 du carter
intérieur 2 présentent en correspondance des orifices pour la fixation du
joint 20 sur l'extrémité 8 de la paroi axiale par boulonnage ou par
rivetage.
Quel que soit le mode de réalisation de la fixation du joint 20
sur le carter intérieur 2, la deuxième partie 22 est mise en compression
lors du montage du carter intérieur 2 sur le carter extérieur 3.
La géométrie de cette deuxième partie 22 est calculée de manière à
assurer une souplesse importante. La section du joint 20 est suffisamment
grande pour permettre d'absorber des déplacements relatifs plus
importants que ceux autorisés par le joint Oméga actuel et permet
l'utilisation d'une tôle d'épaisseur plus importante, ce qui diminue l'impact
à l'usure au droit des faces en contact et rend le joint 20 plus tolérant aux
vibrations.
Claims (9)
- Section de turboréacteur comportant un carter externe (3) ayant une surface (9) qui s'étend radialement vers l'intérieur, un carter interne (2) ayant une paroi (8) sensiblement axiale qui s'étend vers ladite surface (9), et un joint d'étanchéité (20) disposé entre ladite paroi (8) et ladite surface (9) et destiné à assurer l'étanchéité entre les régions (14, 15) à haute et basse pressions situés de part et d'autre dudit joint (20),
caractérisée par le fait que ledit joint est réalisé sous la forme d'une virole annulaire en tôle présentant une première partie (21) sensiblement cylindrique fixée de manière étanche sur une face de la paroi axiale (8) et une deuxième partie (22) prolongeant ladite première partie et située dans l'espace (23) séparant ladite paroi axiale (8) de ladite surface radiale (9), ladite deuxième partie présentant, en coupe selon un plan radial contenant l'axe du turboréacteur, un profil en V et présentant une portion d'extrémité (25a) en appui coulissant et étanche contre ladite surface radiale (9). - Section de turboréacteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la première partie (21) est fixée sur la paroi axiale (8) par rivetage ou boulonnage.
- Section de turboréacteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la première partie (21) est fixée sur la paroi axiale (8) par brasage.
- Section de turboréacteur selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la première partie (21) comporte un redan (30) coopérant avec un ressaut (31) complémentaire formé sur la face adjacente de la paroi axiale (8).
- Section de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la deuxième partie (22) est mise en compression axiale lors du montage du carter interne (2) sur le carter externe (3).
- Section de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que la portion d'extrémité (25a) de la deuxième partie (22) est recourbée afin que sa face axialement externe soit en appui sur la surface radiale (9).
- Section de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le joint (20) est configuré de telle manière que la différence de pression entre les régions (14, 15) à haute et basse pressions sollicite la portion d'extrémité (25a) de la deuxième partie (22) vers la surface radiale (9).
- Section de turboréacteur selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la première partie (21) est appliquée sur la face de la paroi axiale (8) soumise à la haute pression.
- Section de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que ladite section est un compresseur à haute pression.
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