FR3025559B1

FR3025559B1 - Ensemble d’elements pour une turbomachine

Info

Publication number: FR3025559B1
Application number: FR1458408A
Authority: FR
Inventors: Michel Claude Chretien Cedric
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2019-09-13
Anticipated expiration: 2034-09-08
Also published as: FR3025559A1

Abstract

Ensemble d'éléments pour une turbomachine, comprenant des premier et second éléments annulaires de rotor (10, 12), le premier élément de rotor comprenant une denture (16) configurée pour être engagée axialement dans une denture (18) sensiblement complémentaire du second élément de rotor de façon à former une liaison (20) entre les éléments de rotor, et des moyens d'étanchéité configurés pour assurer une étanchéité à l'air au niveau de ladite liaison, caractérisé en ce que lesdits moyens d'étanchéité comprennent au moins un joint d'étanchéité à brosse (24, 26) qui est monté entre l'un desdits éléments de rotor et un troisième élément annulaire (28) s'étendant au niveau de ladite liaison.

Description

Ensemble d’éléments pour une turbomachine

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un ensemble d’éléments pour une turbomachine et notamment des éléments de rotor qui sont liés ensemble par un accouplement à dentures, par exemple celui couramment appelé curvic coupling.

ETAT DE L’ART

Il est connu d’accoupler deux éléments annulaires de rotor par une liaison à dentures (en général sensiblement trapézoïdales). Un premier des éléments de rotor comprend une denture configurée pour être engagée axialement dans une denture sensiblement complémentaire d’un second des éléments de rotor de façon à former une liaison entre les éléments de rotor. Les éléments de rotor sont ici sensiblement de même diamètre par opposition à une liaison à cannelures entre deux arbres par exemple, qui sont engagés l’un dans l’autre et ont donc des diamètres différents.

Ce type d’accouplement présente de nombreux avantages. Il permet d’une part d’assurer un « autocentrage » des éléments de rotor et d’obtenir des positionnements axial et radial précis de ces éléments. Il permet en outre d’assembler les éléments de rotor avec un faible encombrement, en particulier par rapport à une liaison boulonnée. Il permet encore d’autoriser des déplacements relatifs entre les éléments de rotor, autant en direction radiale qu’en direction axiale.

Les formes des dentures ne sont pas parfaitement complémentaires. Des jeux existent donc entre les dentures et en particulier entre les sommets des dents d’une des dentures et les fonds de dents de l’autre des dentures. L’inconvénient majeur de cette technologie est qu’elle ne garantit pas une étanchéité radiale à l’air entre l’espace situé radialement à l’intérieur de l’accouplement et l’espace situé radialement à l’extérieur de celui-ci.

Il est donc nécessaire et courant d’associer des moyens d’étanchéité à ce type d’accouplement pour assurer une étanchéité à l’air au niveau de l’accouplement.

Dans la technique actuelle, les moyens d’étanchéité sont montés radialement à l’intérieur de la zone d’accouplement de façon à ce que, en utilisation, du fait des forces centrifuges, ces moyens sont sollicités radialement vers l’extérieur et soient plaqués contre les parties des éléments de rotor comportant les dentures, assurant ainsi une étanchéité à l’air à travers ces dernières. Ces moyens d’étanchéité se présentent sous la forme d’une tôle annulaire à section plane ou à section en V, et sont logés dans une gorge sous les dentures de l’accouplement.

Cependant, cette solution n’est pas toujours optimisée en termes de débit de fuite.

De plus, lors du montage, il y a un risque de mauvais positionnement de ces moyens d’étanchéité dans la gorge, et donc un risque d’apparition d’un débit de fuite. Par ailleurs, en fonctionnement, du fait des dilatations thermiques et des forces centrifuges, les viroles qui portent les dentures peuvent se déformer radialement, et se traduire par un risque de mauvais plaquage des moyens d’étanchéité et donc de débit de fuite. Enfin, certains de ces moyens d’étanchéité ne sont pas continus sur 360°, ce qui génère la création d’un jeu supplémentaire et donc un débit de fuite.

La présente invention apporte notamment une solution simple, efficace et économique à au moins une partie de ces problèmes.

EXPOSE DE L’INVENTION L’invention propose un ensemble d’éléments pour une turbomachine, comprenant des premier et second éléments annulaires de rotor sensiblement de même diamètre, le premier élément de rotor comprenant une denture configurée pour être engagée axialement dans une denture sensiblement complémentaire du second élément de rotor de façon à former une liaison entre les éléments de rotor, et des moyens d’étanchéité configurés pour assurer une étanchéité à l’air au niveau de ladite liaison, caractérisé en ce que lesdits moyens d’étanchéité comprennent au moins un joint d’étanchéité à brosse qui est monté entre l’un desdits éléments de rotor et un troisième élément annulaire s’étendant au niveau de ladite liaison.

Les moyens d’étanchéité selon l’invention permettent de résoudre les problèmes évoqués ci-dessus, en réalisant une étanchéité par contact tout en permettant des déplacements relatifs axiaux et radiaux des éléments de rotor. Cela permet de réaliser l’étanchéité sans impacter le montage et le fonctionnement des dentures. Les moyens d’étanchéité selon l’invention sont parfaitement compatibles avec l’accouplement à dentures car ils sont peu encombrants et peuvent donc s’intégrer facilement dans l’environnement. L’ensemble selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou en combinaison les unes avec les autres : - les moyens d’étanchéité comprennent deux joints d’étanchéité à brosse qui sont montés respectivement en amont et en aval de ladite liaison ; - ledit troisième élément est un élément de stator, et est par exemple un redresseur de compresseur ou un distributeur de turbine (en ce qui concerne le redresseur, il peut s’agir d’un anneau de redresseur à calage variable ou d’un anneau de redresseur fixe (l’anneau pouvant dans ce cas être sectorisé)) ; le ou chaque joint d’étanchéité assure alors une étanchéité dynamique puisqu’il est monté entre un élément de rotor et un élément de stator ; - ledit troisième élément de stator porte un joint d’étanchéité à brosse amont, dont la brosse coopère avec ledit premier élément de rotor, et un joint d’étanchéité à brosse aval, dont la brosse coopère avec ledit second élément de rotor ; - ledit troisième élément est un élément de rotor qui est porté par l’un desdits premier et second éléments de rotor ; le joint d’étanchéité assure alors une étanchéité quasi-statique puisqu’il est monté entre deux éléments de stator, ce type d’étanchéité ayant l’avantage d’avoir un bonne durée de vie ; - ledit troisième élément de rotor comprend un anneau s’étendant radialement à l’intérieur ou à l’extérieur de ladite liaison ; - ledit anneau s’étend radialement à l’extérieur de ladite liaison et coopère avec une brosse d’un joint d’étanchéité à brosse qui est porté par l’élément de rotor qui ne porte par l’anneau ; - ledit anneau comprend des léchettes radialement externes configurées pour coopérer avec une couronne en matériau abradable ; - ledit anneau s’étend radialement à l’intérieur de ladite liaison et porte au moins un joint d’étanchéité à brosse, - la brosse coopère avec l’élément de rotor qui ne porte par l’anneau.

La présente invention concerne également une turbomachine comprenant au moins un ensemble tel que décrit ci-dessus.

DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d’un ensemble comportant deux éléments de rotor pour une turbomachine, ces éléments de rotor étant reliés ensemble par un accouplement à dentures ; - la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective de l’accouplement à dentures de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe d’un ensemble d’éléments de rotor pour une turbomachine, équipé de moyens d’étanchéité selon la technique antérieure ; - la figure 4 est une vue schématique en coupe d’un premier mode de réalisation d’un ensemble d’éléments de rotor pour une turbomachine, selon l’invention ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe d’un deuxième mode de réalisation d’un ensemble d’éléments de rotor pour une turbomachine, selon l’invention ; - la figure 6 est une vue schématique en coupe d’un troisième mode de réalisation d’un ensemble d’éléments de rotor pour une turbomachine, selon l’invention ; et - la figure 7 est une vue schématique en coupe d’un quatrième mode de réalisation d’un ensemble d’éléments de rotor pour une turbomachine, selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

On se réfère d’abord aux figures 1 et 2 qui représentent un ensemble de deux éléments de rotor 10, 12 pour une turbomachine, ces éléments de rotor étant par exemple des DAM, acronyme de disque aubagé monobloc.

Le premier élément de rotor 10, à gauche sur le dessin ou en amont par référence au sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine, comprend une portion cylindrique 14 dont l’extrémité aval libre comprend une denture 16, c'est-à-dire une rangée annulaire de dents qui sont ici orientées axialement vers l’aval.

Le second élément de rotor 12, à droite sur le dessin ou en aval, comprend une portion cylindrique 17 dont l’extrémité amont libre comprend une denture 18 qui a une forme sensiblement complémentaire de celle 16 du premier élément de rotor 10 et qui comprend des dents orientées axialement vers l’amont. Les portions 14, 17 ont sensiblement le même diamètre.

La denture 16 est destinée à être engagée axialement dans la denture 18, comme cela est visible en figure 2, de façon à former une liaison 20 entre les éléments 10, 12, qui est appelée couramment curvic coupling ou accouplement à dentures trapézoïdales dans le domaine aéronautique.

Comme on le voit en figure 2, les sommets des dents de la denture 16, 18 ne sont pas en appui sur les fonds de dents de la denture 18, 16, ce qui génère des jeux de passage d’air en direction radiale. De l’air peu ainsi circuler à travers la liaison 20, principalement de l’intérieur des portions 14, 18 radialement vers l’extérieur de celles-ci.

La liaison 20 est destinée à transmettre un couple tout en autorisant de faibles déplacements relatifs entre les éléments de rotor 10, 12.

Comme expliqué dans ce qui précède, il est connu d’associer à cette liaison 20 des moyens d’étanchéité à l’air, tels que ceux représentés en figure 3.

Les moyens d’étanchéité de la figure 3 sont formés par une tôle annulaire 22 à section plane qui est montée radialement à l’intérieur de la liaison et qui est destinée à prendre appui radialement sur les extrémités libres des éléments de rotor 10, 12 portant les dentures 16, 18, pour limiter voire empêcher le passage d’air à travers la liaison 20.

Cependant, cette technologie présente des inconvénients décrits dans ce qui précède. L’invention permet d’apporter une solution à ces inconvénients grâce à au moins un joint d’étanchéité à brosse qui est monté entre l’un des éléments de rotor et un troisième élément annulaire s’étendant au niveau de la liaison.

Les figures 4 à 6 représentent plusieurs modes de réalisation de l’invention dans lesquels les pièces déjà décrites dans ce qui précède sont désignées par les mêmes références.

On se réfère d’abord au mode de réalisation de la figure 4 dans lequel les moyens d’étanchéité comprennent deux joints d’étanchéité à brosse, respectivement amont 24 et aval 26. Les joints 24, 26 sont ici montés entre un (troisième) élément ici de stator 28, qui est un redresseur de compresseur ou un distributeur de turbine.

Chaque joint d’étanchéité 24, 26 comprend un support annulaire de brosse 30 et une brosse annulaire 32, le support 30 étant ici fixé à la périphérie interne de l’élément de stator 28 et la brosse 32 coopérant par frottement avec l’un des éléments de rotor 10, 12. Le joint amont 24 est situé à une extrémité amont de l’élément de stator 28 et sa brosse 32 coopère avec le premier élément de rotor 10, et le joint aval 26 est situé à une extrémité aval de l’élément de stator 28 et sa brosse 32 coopère avec le second élément de rotor 12.

De l’air provenant de la cavité annulaire située radialement à l’intérieur des portions 14, 17 peut passer radialement vers l’extérieur à travers la liaison 20 (flèche 34) et inversement de l’extérieur vers l’intérieur. Ce mode de réalisation permet de limiter le débit de passage de cet air vers les cavités annulaires situées en amont et en aval de l’élément de stator 28 (flèches 36). Il permet en outre de limiter le débit de passage d’air ou de gaz de la cavité située en aval de l’élément de stator 28, vers l’amont (flèche 38 - du fait que la pression des gaz en aval de l’élément 28 est supérieure à celle en amont de l’élément).

Dans une variante non représentée, plus de deux joints à brosse pourraient être montés entre l’élément de stator 28 et les portions 14, 17, et par exemple deux joints en amont de la liaison 20 et deux joints en aval de la liaison 20.

On se réfère maintenant à la variante de réalisation de la figure 5 dans laquelle les moyens d’étanchéité comprennent un seul joint d’étanchéité à brosse 40. Le joint 40 est ici monté entre un (troisième) élément ici de rotor 42, qui est un anneau qui s’étend ici radialement à l’extérieur de la liaison 20 et à distance radiale de celle-ci. L’extrémité amont de l’élément 42 est fixée, par exemple par frettage, au premier élément de rotor 10. L’élément de rotor 42 est équipé de léchettes annulaires 44 s’étendant radialement vers l’extérieur et coopérant par frottement avec une couronne annulaire 46 en matériau abradable portée par un élément de stator 28 du type de celui décrit dans ce qui précède.

Le joint d’étanchéité 40 comprend un support annulaire de brosse 30 et une brosse annulaire 32, le support 30 étant ici fixé à la portion 17 du deuxième élément de rotor 12 et la brosse 32 coopérant par frottement avec une extrémité aval de l’élément de rotor 42. Le joint 40 est ici situé en aval de la liaison 20, à l’extrémité aval d’un espace annulaire délimité par l’élément de rotor 42.

De l’air provenant de la cavité annulaire située radialement à l’intérieur des portions 14, 17 peut passer radialement vers l’extérieur à travers la liaison 20 (flèche 34) et inversement. Cette variante de réalisation permet de limiter le débit de passage de cet air vers la cavité annulaire située en aval de l’élément de stator 28 (flèche 36). Par ailleurs, le joint à labyrinthe défini par les léchettes 44 et la couronne abradable 46 limite le débit de passage d’air ou de gaz depuis la cavité aval jusqu’à la cavité située en amont de l’élément de stator 28 (flèches 38).

On se réfère maintenant à la variante de réalisation de la figure 6 dans laquelle les moyens d’étanchéité comprennent un seul joint d’étanchéité à brosse 50. Le joint 50 est ici monté entre un (troisième) élément ici de rotor 48, qui est un anneau qui s’étend ici radialement à l’intérieur de la liaison 20 et à distance radiale de celle-ci. L’extrémité amont de l’élément 48 est fixée, par exemple par frettage, au premier élément de rotor 10.

Le joint d’étanchéité 50 comprend un support annulaire de brosse 30 et une brosse annulaire 32, le support 30 étant ici fixé à l’extrémité aval de l’élément de rotor 48 et la brosse 32 coopérant par frottement avec la portion 17 du deuxième élément de rotor 12. Le joint 50 est ici situé en aval de la liaison 20, à l’extrémité aval d’un espace annulaire délimité par l’élément de rotor 48.

Cette variante de réalisation permet de limiter le débit de passage de l’air entre la cavité annulaire située radialement à l’intérieur des portions 14, 17 et l’espace annulaire précité et jusqu’à la liaison 20 (flèche 52). Par ailleurs, un joint à labyrinthe défini par des léchettes 44 du premier élément de rotor 10 et une couronne abradable 46 d’un élément de stator 28 du type précité, permet de limiter le débit de passage d’air ou de gaz depuis l’aval jusqu’à l’amont de cet élément de stator (flèches 38).

On se réfère maintenant à la variante de réalisation de la figure 7 dans laquelle les moyens d’étanchéité comprennent deux joints d’étanchéité à brosse 60. Les joints 60 sont ici montés entre un (troisième) élément ici de rotor 54, qui est un anneau qui s’étend ici radialement à l’intérieur de la liaison 20 et à distance radiale de celle-ci. Un premier joint 60 est monté entre l’extrémité amont de l’élément 54 et le premier élément de rotor 10 et un second joint 60 est monté entre l’extrémité aval de l’élément 54 et le deuxième élément de rotor 12. Les extrémités de l’élément 54 sont en appui radialement et ainsi centrées sur des portées annulaires des éléments de rotor 10, 12, respectivement.

Chaque joint d’étanchéité 60 comprend un support annulaire de brosse 30 et une brosse annulaire 32, le support 30 étant ici fixé à une extrémité de l’élément de rotor 54 et la brosse 32 coopérant par frottement avec la portion 14 du premier élément de rotor 10 ou avec la portion 17 du deuxième élément de rotor 12. Les joints 60 sont ici situés respectivement en amont et en aval de la liaison 20, aux extrémités amont et aval d’un espace annulaire délimité par l’élément de rotor 54.

Cette variante de réalisation permet de limiter le débit de passage de l’air situé dans la cavité annulaire située radialement à l’intérieur des portions 14, 17 dans l’espace annulaire précité et jusqu’à la liaison 20 (flèche 52). Par ailleurs, un joint à labyrinthe défini par des léchettes 44 du premier élément de rotor 10 et une couronne abradable 46 d’un élément de stator 28 du type précité, permet de limiter le débit de passage d’air ou de gaz depuis l’aval jusqu’à l’amont de cet élément de stator (flèches 38).

Les joints à brosse 24, 26, 40, 50 et 60 peuvent être des joints à brosse métallique ou carbone.

Bien entendu, dans les exemples décrits ci-dessus et représentés dans les dessins, le montage de chaque joint à brosse pourrait être inversé. Dans le cas par exemple de la figure 4, les supports 30 des joints pourraient être fixés aux éléments de rotor 10, 12, respectivement, et leurs brosses 32 pourraient coopérer par frottement avec l’élément de stator 28.

Claims

REVENDICATIONS
1. Ensemble d’éléments pour une turbomachine, comprenant des premier et second éléments annulaires de rotor (10, 12) sensiblement de même diamètre, le premier élément de rotor comprenant une denture (16) configurée pour être engagée axialement dans une denture (18) sensiblement complémentaire du second élément de rotor de façon à former une liaison (20) entre les éléments de rotor, et des moyens d’étanchéité configurés pour assurer une étanchéité à l’air au niveau de ladite liaison, caractérisé en ce que lesdits moyens d’étanchéité comprennent au moins un joint d’étanchéité à brosse (24, 26, 40, 50, 60) qui est monté entre l’un desdits éléments de rotor et un troisième élément annulaire (28, 42, 48, 54) s’étendant au niveau de ladite liaison. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel les moyens d’étanchéité comprennent deux joints d’étanchéité à brosse (24, 26) qui sont montés respectivement en amont et en aval de ladite liaison (20).
3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit troisième élément est un élément de stator (28), et est par exemple un redresseur de compresseur ou un distributeur de turbine.
4. Ensemble selon la revendication 3, en dépendance de la revendication 2, dans lequel ledit troisième élément de stator (28) porte un joint d’étanchéité à brosse amont (24), dont la brosse (32) coopère avec ledit premier élément de rotor (10), et un joint d’étanchéité à brosse aval (26), dont la brosse (32) coopère avec ledit second élément de rotor (12).
5. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit troisième élément est un élément de rotor (42, 48, 54) qui est porté par l’un (10) desdits premier et second éléments de rotor.
6. Ensemble selon la revendication 5, dans lequel ledit troisième élément de rotor (42, 48, 54) comprend un anneau s’étendant radialement à l’intérieur ou à l’extérieur de ladite liaison (20).
7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel ledit anneau s’étend radialement à l’extérieur de ladite liaison (20) et coopère avec une brosse (32) d’un joint d’étanchéité à brosse (40) qui est porté par l’élément de rotor (12) qui ne porte par l’anneau.
8. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel ledit anneau (42) comprend des léchettes radialement externes (44) configurées pour coopérer avec une couronne (46) en matériau abradable.
9. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel ledit anneau s’étend radialement à l’intérieur de ladite liaison (20) et porte au moins un joint d’étanchéité à brosse (50, 60).
10. Turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un ensemble selon l’une des revendications précédentes.