FR2646221A1 - Sealing gasket, device including it and application to a turbo machine - Google Patents

Sealing gasket, device including it and application to a turbo machine Download PDF

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Abstract

The static annular sealing gasket according to the invention consists of a plurality of annular folds arranged radially in two separate groups of folds, the folds of a first group 2 having their opening pointing radially outwards and those of the second group 3 having their opening pointing radially inwards. The application to sealing between a turbine ring and distributor support of a turbo machine is also described.

Description

DESCRIPTION
La présente invention concerne les dispositifs d'étanchéité statique utilisables à haute température entre deux parois radiales parallèles délimitant deux enceintes à des pressions différentes, l'une interne et l'autre externe et aptes à maintenir l'étanchéité lors d'une inversion de pression entre les enceintes.DESCRIPTION
The present invention relates to static sealing devices which can be used at high temperature between two parallel radial walls delimiting two enclosures at different pressures, one internal and the other external, and capable of maintaining the seal during a pressure reversal. between the speakers.

Dans ce domaine des dispositifs d'étanchéité à haute température notamment appliqués à des turbomachines, on utilise souvent des joints dits "joints OMEGA" pour assurer ltétanchéité aux gaz entre deux ensembles normalement fixes mais qui, en cours de fonctionnement sont soumis à des dilatations radiales ou axiales. Ils sont réalisés dans-un métal réfractaire, par exemple du
NC 19 Fe Nb (Norme NF) commercialisé sous la désignation
INCO 718, et constituant une sorte de soufflet annulaire1 généralement à deux plis, ouvert d'un côté, cette ouverture étant disposée du côté haute pression.In this field of high temperature sealing devices, in particular applied to turbomachines, often called "OMEGA seals" are used to ensure gas tightness between two normally fixed assemblies which, during operation, are subjected to radial expansion. or axial. They are made of a refractory metal, for example
NC 19 Fe Nb (NF Standard) marketed under the designation
INCO 718, and constituting a sort of annular bellows1 generally with two folds, open on one side, this opening being arranged on the high pressure side.

La pression règnant dans l'enceinte soumise à la pression la plus élevée force les branches de 1'OMEGA à stécarter, assurant ainsi un meilleur contact avec les faces radiales des éléments en présence, même lorsque les dilatations thermiques auxquelles ils sont soumis ont pour effet d'augmenter le jeu axial entre ces éléments, ou leurs positions radiales respectives.The pressure prevailing in the enclosure subjected to the highest pressure forces the branches of the OMEGA to separate, thus ensuring better contact with the radial faces of the elements present, even when the thermal expansions to which they are subjected have the effect increase the axial play between these elements, or their respective radial positions.

Les joints OMEGA remplissent parfaitement leur office tant que les pressions dans les enceintes entre lesquelles-ils sont placés ne varient pas, ou plus exactement tant que le 5 p ne change pas de sens.OMEGA seals fulfill their purpose perfectly as long as the pressures in the enclosures between which they are placed do not vary, or more exactly as long as the 5 p does not change direction.

Lorsque les pressions s'inversent, la-pression la plus forte s'exerçant du côté fermé de 1'OMEGA ne peut plus contribuer à l'ouvrir et le joint ne remplit plus son office.When the pressures are reversed, the strongest pressure exerted on the closed side of the OMEGA can no longer help to open it and the seal no longer fulfills its function.

Une solution antérieure a consisté à disposer deux joints
OMEGA concentriquement et d'inverser l'orientation de l'un d'entre eux : le joint situé sur le plus grand diamètre a son ouverture dirigée vers l'extérieur, celui qui est situé sur le petit diamètre ayant son ouverture dirigée vers l'axe du moteur.An earlier solution was to have two seals
OMEGA concentrically and reverse the orientation of one of them: the seal located on the largest diameter has its opening facing outward, the one located on the small diameter having its opening facing outward motor axis.

Ainsi, quel que soit le p entre les enceintes, l'étanchéité est assurée.Thus, whatever the p between the enclosures, sealing is ensured.

En fait, cette disposition ne donne pas totalement satisfaction du fait que le joint interne, lorsqu'il fonctionne à un niveau de pression inférieur, est moins fortement plaqué sur les parois radiales adjacentes et peut permettre aux gaz de combustion, dans certaines conditions de fonctionnement, de pénétrer jusqu'au joint externe, soumettant ainsi une surface radiale plus importante de l'anneau à des températures élevées.In fact, this arrangement is not entirely satisfactory since the internal seal, when operating at a lower pressure level, is less strongly pressed against the adjacent radial walls and can allow combustion gases, under certain operating conditions , penetrate to the outer seal, thereby subjecting a larger radial surface of the ring to high temperatures.

En outre, quand il s'agit de petites machines, le dimensionnement ne permet pas toujours de loger deux joints concentriques.In addition, when it comes to small machines, the dimensioning does not always allow to accommodate two concentric joints.

La présente invention a pour but de réaliser un joint apte à résoudre ce problème d'étanchéité dans les cas où des pressions risquent de s'inverser, ainsi que le dispositif de montage de ce joint entre deux enceintes délimitées par des parois radiales parallèles.The object of the present invention is to produce a seal capable of solving this sealing problem in cases where pressures are likely to reverse, as well as the device for mounting this seal between two enclosures delimited by parallel radial walls.

Pour y parvenir, le joint selon l'invention est constitué d'une pluralité de plis annulaires disposés radialement en deux groupes de plis distincts, reliés entre eux et les plis d'un premier groupe ont leur ouverture dirigée radialement vers l'extérieur tandis que les plis du second groupe ont leur ouverture dirigée radialement vers l'intérieur.To achieve this, the seal according to the invention consists of a plurality of annular plies arranged radially in two groups of distinct plies, interconnected and the plies of a first group have their opening directed radially outwards while the folds of the second group have their opening directed radially inward.

Plus précisément, chaque groupe de plis a la forme d'un W, les deux groupes de plis étant disposés tête-bêche et reliés par leurs jambages adjacents.More precisely, each group of folds has the shape of a W, the two groups of folds being arranged head to tail and connected by their adjacent legs.

L'invention a également pour objet un dispositif d'étanchéité entre deux flasques radiaux séparant deux enceintes à des pressions différentes P1 et P2 au moyen d'un joint annulaire tel que décrit ci-dessus, dispositif selon lequel le joint est disposé dans une gorge annulaire d'un des flasques, les fonds des plis du premier groupe étant en contact avec le bord circulaire radialement interne de la gorge et les sommets des plis du second groupe en contact avec le bord circulaire radialement externe de la gorge.The invention also relates to a sealing device between two radial flanges separating two enclosures at different pressures P1 and P2 by means of an annular seal as described above, device according to which the seal is arranged in a groove annular of one of the flanges, the bottoms of the folds of the first group being in contact with the radially internal circular edge of the groove and the tops of the folds of the second group in contact with the radially external circular edge of the groove.

En outre, le bord circulaire interne de la gorge comporte des orifices percés face aux sommets des plis du second groupe de plis du joint.In addition, the internal circular edge of the groove has holes drilled facing the tops of the folds of the second group of folds of the joint.

L'invention a aussi pour objet l'application du dispositif ci-dessus décrit à l'étanchéité entre la bride arrière d'un anneau de turbine de turbomachine et le support de distributeur de ladite turbine.The invention also relates to the application of the device described above for sealing between the rear flange of a turbomachine turbine ring and the distributor support of said turbine.

D'autres caractéristiques du joint et du dispositif selon l'invention ainsi que son application seront développées dans le complément de description qui va suivre accompagné de planches annexées parmi lesquelles - la figure 1 est une vue en coupe d'un joint selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma de principe du dispositif
d'étanchéité selon l'invention ; - la figure 2a est, en demi-coupe, un schéma de principe
des forces appliquées sur les plis du joint mis en place
entre deux enceintes à pressions P1 et P2 avec P1
inférieur à P2 - la figure 3 est une vue en demi-coupe partielle d'un
anneau de turbine de turbomachine faisant application
du dispositif selon l'invention.Other characteristics of the seal and of the device according to the invention as well as its application will be developed in the additional description which follows, accompanied by appended plates, among which - FIG. 1 is a sectional view of a seal according to the invention ; - Figure 2 is a block diagram of the device
sealing according to the invention; - Figure 2a is, in half-section, a block diagram
forces applied to the folds of the seal in place
between two pressure chambers P1 and P2 with P1
lower than P2 - Figure 3 is a partial half-section view of a
turbomachine turbine ring applying
of the device according to the invention.

Le joint 1 selon l'invention représenté à la figure 1 est formé d'une tôle annulaire en NC 19 Fe Nb repliée en accordéon sur elle-même pour former un premier groupe de plis 2 en forme de W orientés radialement vers l'extérieur et un second groupe de plis 3 également en forme de W orientés radialement vers l'axe de symétrie du joint, les deux groupes en forme de W ayant un jambage central commun.The seal 1 according to the invention represented in FIG. 1 is formed of an annular sheet in NC 19 Fe Nb folded in accordion on itself to form a first group of folds 2 in the shape of W oriented radially outwards and a second group of folds 3 also in the form of W oriented radially towards the axis of symmetry of the joint, the two groups in the form of W having a common central leg.

Les jambages latéraux 21 et 31 de chaque W possèdent un repli annulaire latéral 22, 32 dont la concavité est tournée vers le côté extérieur du joint pour permettre un contact circulaire des bords latéraux du joint 1 avec des surfaces de contact transversales à l'axe dudit joint.The lateral legs 21 and 31 of each W have a lateral annular fold 22, 32 whose concavity is turned towards the outside of the joint to allow circular contact of the lateral edges of the joint 1 with contact surfaces transverse to the axis of said attached.

Par ailleurs, le pliage du joint est réalisé de telle sorte que les fonds des plis du premier groupe 2 de plis sont situés sur un cylindre théorique de diamètre D1 inférieur à celui, D21 des sommets des plis du second groupe 3 de plis. Furthermore, the joint is folded so that the bottoms of the folds of the first group 2 of folds are located on a theoretical cylinder with a diameter D1 smaller than that, D21 of the vertices of the folds of the second group 3 of folds.

I1 en est de même pour les sommets des plis du groupe 1 dont le cylindre théorique de diamètre D3 est inférieur à celui D4 des fonds des plis du second groupe 3. I1 is the same for the vertices of the folds of group 1 whose theoretical cylinder of diameter D3 is less than that D4 of the bottoms of the folds of the second group 3.

Cette disposition permet de mettre en place le joint 1 dans une gorge annulaire de telle sorte que seuls les fonds des plis du premier groupe 2 (respectivement du second groupe 3) sont en contact avec le bord circulaire radialement interne (respectivement radialement externe) de la gorge sans que les sommets des plis soient en contact avec le bord cylindrique opposé de la gorge.This arrangement makes it possible to set up the seal 1 in an annular groove so that only the bottoms of the folds of the first group 2 (respectively of the second group 3) are in contact with the radially internal circular edge (respectively radially external) of the groove without the tops of the folds being in contact with the opposite cylindrical edge of the groove.

La figure 2 montre un mode de réalisation du dispositif d'étanchéité selon l'invention, incorporant le joint décrit ci-dessus.Figure 2 shows an embodiment of the sealing device according to the invention, incorporating the seal described above.

Une pièce de révolution 4 comportant un flasque d'extrémité 5 et une pièce 6, également de révolution comportant également un flasque transversal 7 et une chambre centrale 8, définissant entre elles deux enceintes à des pressions différentes : la première chambre est constituée par la chambre centrale 8 à pression P1, tandis que l'autre enceinte, à pression P2 supérieur à P1 est définie par la pièce 4 et son flasque 5, et la pièce 6 et son flasque 7.A part of revolution 4 comprising an end flange 5 and a part 6, also of revolution also comprising a transverse flange 7 and a central chamber 8, defining between them two chambers at different pressures: the first chamber is constituted by the chamber central unit 8 at pressure P1, while the other enclosure, at pressure P2 greater than P1 is defined by part 4 and its flange 5, and part 6 and its flange 7.

Un joint 1 selon l'invention est placé dans une gorge 9 du flasque 7 de sorte que le repli 22 de son bord latéral gauche soit en contact avec le flasque 5 tandis que le repli 32 de son bord latéral droit soit en contact avec le fond 9a de la gorge 9.A seal 1 according to the invention is placed in a groove 9 of the flange 7 so that the fold 22 of its left lateral edge is in contact with the flange 5 while the fold 32 of its right lateral edge is in contact with the bottom Throat 9a 9.

Pour que le joint reste en contact permanent avec le flasque 5 et le fond 9e de la gorge, la largeur du joint est déterminée de telle sorte qu'une fois en place; le joint soit soumis à une précontrainte entre les faces 5 et 9a, cette précontrainte se traduisant sur les faces latérales du joint par deux forces F égales et opposées.So that the seal remains in permanent contact with the flange 5 and the bottom 9e of the groove, the width of the seal is determined so that once in place; the joint is subjected to a prestress between the faces 5 and 9a, this prestress being reflected on the lateral faces of the joint by two equal and opposite forces F.

Les bords cylindriques interne et externe de la gorge sont référencés respectivement 9b et 9c.The internal and external cylindrical edges of the groove are respectively referenced 9b and 9c.

Le bord 9b comporte des orifices 10 à une distance du fond 9a de la gorge 9, telle que les orifices font face aux sommets des plis 3 du joint.The edge 9b has orifices 10 at a distance from the bottom 9a of the groove 9, such that the orifices face the tops of the folds 3 of the joint.

Les orifices 10 mettent en contact les sommets des plis 3 du joint avec la pression P1 établie dans l'enceinte 8 tandis que les sommets des plis 2 du joint sont à la pression P2=de la deuxième enceinte.The orifices 10 bring the tops of the folds 3 of the seal into contact with the pressure P1 established in the enclosure 8 while the tops of the folds 2 of the seal are at the pressure P2 = of the second enclosure.

Les pressions P1 et P2 se traduisent sur les parois du joint par des forces F1, F2 (voir figure 2a) tandis que la précontrainte est représentée par les forces F agissant en direction des flasques latéraux.The pressures P1 and P2 translate on the walls of the joint by forces F1, F2 (see FIG. 2a) while the prestressing is represented by the forces F acting in the direction of the lateral flanges.

La paroi gauche du pli 2 est soumise à une force (F + F1 - F2) tandis que la paroi droite du pli 3 est soumise à une force (F + F2 - F1) et que le pli central est soumis en son centre à (F1 - F2).The left wall of fold 2 is subjected to a force (F + F1 - F2) while the right wall of fold 3 is subjected to a force (F + F2 - F1) and that the central fold is subjected in its center to ( F1 - F2).

Le pli 2 a donc tendance à s'écarter vers le flasque tandis que la paroi droite du pli 3 est plaquée sur le fond de la gorge par la seule précontrainte.The fold 2 therefore tends to move towards the flange while the straight wall of the fold 3 is pressed against the bottom of the groove by the only prestress.

Si les pressions P1 et P2 viennent à s'inverser, le système de force est alors symétrique au précédent et l'étanchéité reste assurée.If the pressures P1 and P2 reverse, the force system is then symmetrical to the previous one and the seal remains ensured.

La figure 3 montre une application du joint selon l'invention à l'étanchéité entre la bride arrière d'un anneau de turbine et le support du second distributeur de turbine d'une turbomachine d'aviation.FIG. 3 shows an application of the seal according to the invention to the seal between the rear flange of a turbine ring and the support of the second turbine distributor of an aviation turbomachine.

L'aube mobile 40 de la turbine est placée entre les aubes fixes du premier distributeur (respectivement 41 et 42) de turbine.The movable blade 40 of the turbine is placed between the fixed blades of the first turbine distributor (41 and 42).

L'anneau de turbine 43 est supporté à l'amont par un support souple 44 vissé sur une bride 45 du carter et il comporte une bride arrière radiale 46. Le support 47 du second distributeur 42 comporte un voile conique supporté en amont au moyen d'une aile annulaire 48 par une fourchette 49 de la virole externe 50 de l'anneau de turbine. I1 est fixé en aval par une bride 51.The turbine ring 43 is supported upstream by a flexible support 44 screwed onto a flange 45 of the casing and it comprises a radial rear flange 46. The support 47 of the second distributor 42 comprises a conical web supported upstream by means of 'An annular wing 48 by a fork 49 of the outer shell 50 of the turbine ring. I1 is fixed downstream by a flange 51.

En amont du voile conique 47, il comporte une aile radialement interne 54a définissant une gorge aval 53 dans laquelle est logée la plate forme supérieure 52 du support du second distributeur 42, et une gorge amont 54 percée d'orifices radiaux 55.Upstream of the conical web 47, it comprises a radially internal wing 54a defining a downstream groove 53 in which is housed the upper platform 52 of the support of the second distributor 42, and an upstream groove 54 pierced with radial orifices 55.

Un joint 1 selon l'invention est disposé dans la gorge 54 entre la bride arrière 46 de l'anneau de turbine 43 et l'aile annulaire 48, 52 du support de distributeur 47 pour assurer l'étanchéité entre l'enceinte 56 formée entre l'anneau de turbine et ledit support de distributeur, et la veine d'air comprimé 57 du turboréacteur.A seal 1 according to the invention is disposed in the groove 54 between the rear flange 46 of the turbine ring 43 and the annular wing 48, 52 of the distributor support 47 to seal between the enclosure 56 formed between the turbine ring and said distributor support, and the compressed air stream 57 of the turbojet engine.

Lors du fonctionnement du turboréacteur la pression P1 dans l'enceinte 56 est normalement supérieure à celle, de la veine sauf en certaines circonstances du cycle de fonctionnement où les pressions s inversent.- Dans les deux cas, le joint 1 assure une étanchéité parfaite entre les deux enceintes. During the operation of the turbojet engine the pressure P1 in the enclosure 56 is normally higher than that of the stream except in certain circumstances of the operating cycle where the pressures are reversed. In both cases, the seal 1 ensures a perfect seal between the two speakers.

I1 assure donc une solution pratique et peu encombrante au problème posé là où l'état de la technique antérieur nécessitait deux joints placés en opposition pour remplir totalement la fonction d'étanchéité ce qui imposait un encombrement radial double, voire triple.  I1 therefore provides a practical and space-saving solution to the problem posed where the state of the prior art required two seals placed in opposition to completely fulfill the sealing function, which imposed a double, even triple, radial size.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité annulaire statique utilisable à haute température entre deux enceintes à pressions différentes et apte à maintenir l'étanchéité lors d'une inversion de pression entre les enceintes, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pluralité de plis annulaires disposés radialement en deux groupes de plis distincts, en ce que les plis d'un premier groupe (2) ont leur ouverture dirigée radialement vers l'extérieur et en ce que les plis du second groupe (3) ont leur ouverture dirigée radialement vers l'intérieur.1. Static annular seal usable at high temperature between two enclosures at different pressures and able to maintain the seal during a pressure inversion between the enclosures, characterized in that it consists of a plurality of folds annulars arranged radially in two distinct groups of folds, in that the folds of a first group (2) have their opening directed radially outwards and in that the folds of the second group (3) have their opening directed radially towards the interior. 2. Joint d'étanchéité selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque groupe (2, 3) de plis a la forme d'un W, les deux groupes de plis étant disposés tête-bêche et reliés par leurs jambages adjacents.2. A seal according to claim 1 characterized in that each group (2, 3) of folds has the shape of a W, the two groups of folds being arranged head to tail and connected by their adjacent legs. 3. Joint d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisé en ce que les sommets des plis du premier groupe (2) (respectivement les fonds de ses plis) sont situés sur un cylindre théorique de diamètre inférieur à celui des fonds (respectivement des sommets) des plis du second groupe (3).3. Seal according to claim 2, characterized in that the tops of the folds of the first group (2) (respectively the bottoms of its folds) are located on a theoretical cylinder with a diameter smaller than that of the bottoms (respectively of the tops ) folds of the second group (3). 4. Joint d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que les jambages latéraux (21, 31) possèdent un repli annulaire latéral (22, 32) apte à permettre un contact circulaire des bords latéraux du Joint avec Ües surraces de contact transversales à l'axe du joint.4. A seal according to claim 3, characterized in that the lateral legs (21, 31) have a lateral annular fold (22, 32) capable of allowing circular contact of the lateral edges of the seal with transverse contact surfaces. at the joint axis. 5. Dispositif d'étanchéité entre deux flasqués radiaux sçparar.t ceux enceintes à des pressions différentes P1 et @@@@@ moyen d'un joint annulaire selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le joint est disposé dans une gorge annulaire (9, 54) d'un (7 ; 52) des flasques, les fonds des plis du premier groupe (2) étant en contact avec le bord circulaire radialement interne (9b, 54b) de la gorge et les sommets des plis du second groupe (3) en contact avec le bord circulaire radialement externe (9c, 54c) de la gorge, en ce que le repli annulaire latéral (22) du jambage latéral du premier groupe de plis (2) est en contact avec le second flasque (5, 46) tandis que celui (32) du second groupe (3) est en contact avec le fond de la gorge (9, 54) du premier flasque (7, 52).5. Sealing device between two radial flanges sçparar.t those pregnant at different pressures P1 and @@@@@ by means of an annular seal according to one of claims 1 to 4, characterized in that the seal is disposed in an annular groove (9, 54) of one (7; 52) of the flanges, the bottoms of the folds of the first group (2) being in contact with the radially internal circular edge (9b, 54b) of the groove and the vertices folds of the second group (3) in contact with the radially outer circular edge (9c, 54c) of the groove, in that the lateral annular fold (22) of the lateral jamb of the first group of folds (2) is in contact with the second flange (5, 46) while that (32) of the second group (3) is in contact with the bottom of the groove (9, 54) of the first flange (7, 52). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bord circulaire interne de la gorge comporte des orifices (10, 55) percés face aux sommets des plis du second groupe de plis (3) du joint.6. Device according to claim 5, characterized in that the internal circular edge of the groove has orifices (10, 55) drilled facing the tops of the folds of the second group of folds (3) of the joint. 7. Application du dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6 à l'étanchéité entre la bride arrière (46) d'un anneau de turbine (43) de turbomachine et le support (47) du distributeur (42) de ladite turbine caractérisé en ce que la bride arrière (46) de l'anneau de turbine (43) comporte une surface radiale en ce que la face avant (52) du support de distributeur comporte une gorge annulaire (54) faisant face à ladite surface radiale (46), le joint d'étanchéité (1) étant disposé dans ladite gorge (54) du support de distributeur entre la surface radiale de la bride arrière (46) et le fond de la gorge (54) dudit support pour assurer l'étanchéité entre la partie (56) radialement externe de l'anneau de turbine et la veine (5, 7) radialement interne de la turbomachine. 7. Application of the device according to one of claims 5 or 6 to sealing between the rear flange (46) of a turbine ring (43) of a turbomachine and the support (47) of the distributor (42) of said turbine characterized in that the rear flange (46) of the turbine ring (43) has a radial surface in that the front face (52) of the distributor support has an annular groove (54) facing said radial surface ( 46), the seal (1) being disposed in said groove (54) of the distributor support between the radial surface of the rear flange (46) and the bottom of the groove (54) of said support to ensure sealing between the radially external part (56) of the turbine ring and the radially internal vein (5, 7) of the turbomachine.
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