FR3058495B1 - Dispositif d'etancheite a double etagement, joint labyrinthe et lechette mobile - Google Patents

Dispositif d'etancheite a double etagement, joint labyrinthe et lechette mobile Download PDF

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Abstract

Il est proposé un dispositif (18) pour l'étanchéité d'une interface entre une pièce fixe (16) et une pièce tournante, ce dispositif comprenant : une base (20) solidaire de la pièce tournante ; au moins une léchette (19) montée articulée par rapport à la base entre une position dressée (P1) et une position escamotée, inclinée par rapport à la position dressée ; caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de rappel (21) monté entre la base (20) et la léchette (19) et sollicitant celle-ci vers sa position dressée (P1).

Description

Dispositif d’étanchéité à double étagement, joint labyrinthe et léchette mobile
La présente invention concerne le domaine des dispositifs d’étanchéité, et plus particulièrement des dispositifs d’étanchéité à labyrinthe.
On trouve ce type de dispositif d’étanchéité notamment dans les turbomachines, typiquement les turboréacteurs des aéronefs. Une turbomachine comprend ordinairement une partie fixe, appelée stator, qui comprend des aubes fixes, et une partie mobile, appelée rotor, qui comprend des aubes mobiles. Un flux de gaz, appelé veine, circule entre les aubes. Il est important que ce flux soit correctement canalisé. A cet effet, on cherche à minimiser les courants d’air contournant les aubes, à l’interface entre le rotor et le stator. Cette fonction est assurée par des dispositifs d’étanchéité, qui comprennent chacun, d’une part, une piste solidaire du stator, et, d’autre part, des éléments de joint en saillie radiale, appelés « léchettes » solidaires du rotor.
La piste est généralement réalisée dans un matériau abradable, qui peut être plein ou alvéolé (typiquement à structure en nid d’abeille). Les léchettes sont prévues pour frotter contre la piste et ainsi assurer une étanchéité dynamique aux flux gazeux. Ces léchettes peuvent se présenter sous forme de lames continues ou segmentées sur le pourtour du rotor. Elles s’étendent généralement en saillie radiale vers l’extérieur de celui-ci.
Une architecture de ce type est illustrée dans la demande de brevet français FR 3 027 341.
En fonctionnement, les léchettes glissent sur la piste, qui subit ainsi une usure par frottement mécanique. Les cycles thermiques subis par la turbomachine peuvent engendrer des écarts dans les dilatations des différentes pièces, et en particulier entre la piste et les léchettes. Selon le cycle de fonctionnement de la turbomachine, des interstices peuvent apparaître entre les léchettes et la piste, ce qui aboutit à un défaut d’étanchéité.
Pour améliorer l’étanchéité, il a été proposé, cf. la demande de brevet français FR 3 027 622, d’articuler les léchettes par rapport au rotor, de sorte qu’à partir d’une certaine vitesse de rotation ces léchettes viennent au contact de la piste en matériau abradable.
Cependant, l’étanchéité n’est pas garantie tant que la vitesse n’a pas atteint une valeur seuil. En outre, le risque existe d’un grippage des léchettes, en raison de la présence, dans leur articulation, de particules issues de l’usure du matériau abradable.
De sorte que l’architecture de la demande de brevet français FR 3 027 622, en dépit des progrès qu’elle procure par rapport à celle de la demande FR 3 027 341, ne peut garantir une parfaite étanchéité de la liaison rotor-stator.
Un objectif de la présente invention est par conséquent de proposer une solution pour améliorer l’étanchéité de la liaison rotor-stator d’une machine tournante, telle qu’une turbomachine.
Dans ce document, l’expression « moyen de rappel » est utilisée pour désigner un organe élastique (typiquement un ressort) capable de se déformer et qui reprend sa forme après avoir été contracté. A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un dispositif pour l’étanchéité d’une interface entre une pièce fixe et une pièce tournante, ce dispositif comprenant : une base solidaire de la pièce tournante, au moins une léchette montée articulée par rapport à la base entre une position dressée et une position escamotée, inclinée par rapport à la position dressée, un moyen de rappel monté entre la base et la léchette, exerçant un effort de rappel sur ladite léchette et sollicitant celle-ci vers sa position dressée.
De la sorte, la léchette est en permanence au contact de la pièce fixe, au bénéfice de l’étanchéité de l’interface. Par ailleurs, cette architecture permet de faciliter le montage du dispositif entre la pièce tournante et la pièce fixe.
Selon diverses caractéristiques, prises seules ou en combinaison : le moyen de rappel est un ressort à lame, qui comprend une âme appliquée contre la base, et une aile appliquée contre la léchette ; la base comprend une cale de maintien en saillie, contre laquelle l’âme est appliquée par un bord opposé à l’aile ; l’aile du moyen de rappel est fixée sur la léchette. ; l’aile est fixée sur la léchette au moyen d’une soudure (par ex. une brasure) ; la base comprend une butée contre laquelle vient s’appliquer la léchette en position dressée.
Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif comprend au moins trois léchettes, à savoir une paire de petites léchettes, et une grande léchette articulée disposée entre les petites léchettes.
Il est proposé, en deuxième lieu, un ensemble comprenant : une pièce fixe en matériau abradable formant une piste présentant une symétrie de révolution ou formée d’un assemblage de plusieurs éléments ou secteurs angulaires accolés, une pièce tournante, montée en rotation par rapport à la pièce fixe, un dispositif d’étanchéité tel que décrit ci-dessus.
Selon un mode de réalisation : la piste définit au moins trois portions cylindriques, à savoir deux portions latérales séparées par une portion intermédiaire de plus grand diamètre interne, et le dispositif comprend au moins trois léchettes, à savoir une paire de petites léchettes en contact chacune avec une portion latérale de la piste, et une grande léchette articulée, disposée entre les petites léchettes et en contact avec la portion intermédiaire de la piste lorsqu’elle est en position dressée.
Il est proposé, en troisième lieu, une turbomachine comprenant un stator et un rotor, et un ensemble tel que présenté ci-dessus, dont la pièce fixe est solidaire ou constitutive du stator et la pièce tournante solidaire ou constitutive du rotor. 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 en référence aux dessins, dans lesquels :
La FIG.1 est une vue en coupe en perspective d’un turboréacteur d’aéronef ;
La FIG.2 est une vue en coupe d’un détail de la turbomachine de la FIG.1 ;
La FIG.3 est une vue d’un détail de la FIG.2, selon l’encart III, représentant le dispositif d’étanchéité en position dressée de la grande léchette ;
La FIG.4 est une vue similaire à la FIG.3, illustrant la position escamotée de la grande léchette.
Sur la FIG.1 est représentée une turbomachine 1 (en l’espèce un turboréacteur) destinée à équiper un aéronef tel qu’un avion. Il s’agit ici d’un réacteur à double flux, qui comprend une soufflante 2 assurant une compression initiale de l’air entrant. L’air sortant de la soufflante 2 est séparé en deux flux, à savoir un flux primaire qui traverse toute la turbomachine 1, et un flux secondaire qui le contourne.
Pour comprimer et guider les gaz du flux primaire, la turbomachine 1 comprend plusieurs ensembles 3, 4, 5, 6 successifs ou étages, à savoir : un compresseur 3 basse pression en aval de la soufflante 2, un compresseur 4 haute pression en aval du compresseur 3 basse pression, une chambre de combustion 5 en aval du compresseur 4 haute pression, et une turbine 6 en aval de la chambre 5 de combustion.
Les gaz chauds sortant par l’aval de la chambre 5 de combustion entraînent en rotation la turbine 6, qui entraîne à son tour les compresseurs 3, 4 dont elle est solidaire.
Les compresseurs 3, 4 et la turbine 6 présentent une architecture globalement similaire. La FIG.2 est une vue en coupe d’un détail de la turbine 6. Comme illustré sur la FIG.2, chaque ensemble 3, 4, 6 comprend : un rotor 7 incluant au moins une série de disques 8 et une pluralité d’aubes 9 mobiles qui s’étendent radiaiement à partir du disque 8 autour duquel les aubes 9 forment une corolle ; un stator 10 qui comprend un carter extérieur 11 et une pluralité d’aubes fixes 12 intercalées entre les aubes 9 mobiles du rotor 7. Comme illustré sur la FIG.2, les disques 8 sont fixés les uns aux autres pour être solidarisés en rotation.
On voit que l’envergure des aubes 9 croît de gauche (côté amont) à droite (côté aval), pour accompagner l’augmentation de volume de l’air à mesure que celui-ci se répand.
Chaque disque 8 est entraîné en rotation autour d’un axe X commun. Les disques 8 sont reliés entre eux par des viroles inter disques 13. Chaque paire d’aubes 9 de rotor 7 séparée par une aube 12 de stator, est reliée par une virole 14 dite virole de labyrinthe.
Chaque aube 12 de stator comporte une partie externe solidaire du carter 11 et un pied 15 relié à un anneau 16 symétrique de révolution par rapport à l’axe X. L’anneau 16 comprend une partie axiale, cylindrique de révolution, portant une piste 17 en matériau abradable. Dans l’exemple présenté, l’anneau 16 présente une symétrie de révolution mais ce cas de figure n’est pas limitatif. L’anneau 16 peut avoir une piste formée de plusieurs éléments (ou secteurs angulaires) accolés.
La virole de labyrinthe 14 porte des léchettes métalliques dont les pointes sont au contact de la piste abradable 17 afin d’entraver le passage de l’air au pied des aubes 12 de stator.
La présente invention propose une turbomachine comprenant un stator 10, un rotor 7, et un dispositif 18 permettant de garantir, pour chaque ensemble 3, 4, 6, une étanchéité à l’interface entre une pièce fixe et une pièce tournante, dont la pièce fixe est solidaire ou constitutive du stator 10 et la pièce tournante solidaire ou constitutive du rotor 7. Dans l’exemple de réalisation présenté, la pièce fixe se réfère à l’anneau 16 et la pièce tournante à la virole de labyrinthe 14. L’exemple d’application présenté (interface entre un rotor et un stator) n’étant pas limitatif, la présente invention peut également être appliquée au niveau de toute interface entre deux pièces d’une turbomachine, par exemple au sommet d’une roue mobile de turbomachine.
Un exemple de réalisation du dispositif 18 permettant de garantir une étanchéité à cette interface est présenté en FIG.3. La FIG.3 est une vue de détail de la FIG.2, selon l’encart III. Le dispositif 18 est destiné à être intercalé entre l’anneau 16 (pièce fixe) et la virole de labyrinthe 14 (pièce tournante). Il comprend : une base 20 solidaire de la virole de labyrinthe 14, au moins une léchette 19 montée articulée par rapport à la base 20 entre une position dressée P1 et une position escamotée P2, inclinée par rapport à la position dressée P1, un moyen de rappel 21 monté entre la base 20 et la léchette 19 et sollicitant celle-ci vers sa position dressée P1.
La FIG.3 illustre la position dressée P1 de la léchette 19 articulée tandis que la FIG.4 illustre la position escamotée P2 de cette même léchette. La position escamotée P2 correspond à une position inclinée par rapport à la position dressée P1.
La présence du moyen de rappel 21 permet d’assurer un contact permanent entre la léchette 19 et la pièce fixe 16, au bénéfice de l’étanchéité de l’interface. La raideur du moyen de rappel 21 est déterminée numériquement en fonction de l’angle d’inclinaison maximal de la léchette articulée 19. Par exemple, l’ordre de grandeur de la raideur du moyen de rappel 21 se situe autour de 10 N.mm/rad dans le cas d’une inclinaison maximale de 45°.
Par ailleurs, l’articulation de la grande léchette 19 permet de faciliter le montage du dispositif entre la pièce tournante 14 et la pièce fixe 16. Cette articulation peut être réalisée grâce à une liaison pivot.
Le moyen de rappel 21 utilisé peut être un ressort à lame, qui comprend une âme 22 appliquée contre la base 20, et une aile 23 appliquée contre la léchette 19.
La base 20 peut comprendre une cale de maintien 24 en saillie, contre laquelle l’âme 22 est appliquée par un bord opposé à l’aile 23.
Selon un mode préféré de réalisation, l’aile 23 du moyen de rappel 21 est fixée sur la léchette, par exemple au moyen d’une soudure (par ex. une brasure).
Selon un autre mode de réalisation possible (non représenté), une cale de maintien peut être formée en saillie sur la léchette et l’aile 23 est alors appliquée contre cette cale par un bord opposé à l’âme 22. Dans ce cas, l’âme 22 est fixée sur la base 20, par exemple au moyen d’une soudure (par ex. une brasure).
Comme présenté dans le mode de réalisation des FIG.3 et FIG.4, la base 20 comprend une butée 20a contre laquelle vient s’appliquer la léchette 19 en position dressée P1.
Selon le mode particulier de réalisation présenté dans les FIG.3 et FIG.4, le dispositif comprend au moins trois léchettes, à savoir une paire de petites léchettes 25, et une grande léchette 19 articulée disposée entre les petites léchettes 25. L’utilisation de léchettes de tailles différentes permet de complexifier le chemin de passage du gaz à l’interface entre la pièce fixe 16 et la base 20. Une grande léchette 19 a été positionnée volontairement entre deux petites léchettes 25, car cela produit une configuration en double étagement selon laquelle le gaz devrait monter et descendre alternativement pour franchir l’interface, ce qui rend plus difficile son passage dans l’interface. Selon les types de dispositifs utilisés, les interstices entre les léchettes ont une longueur généralement comprise entre 5 et 15 millimètres.
Selon un mode de réalisation présenté dans les FIG.3 et FIG.4: la piste 17 définit au moins trois portions cylindriques anotées D1, D2, à savoir deux portions latérales D1 séparées par une portion intermédiaire D2 de plus grand diamètre interne, et le dispositif comprend au moins trois léchettes, à savoir une paire de petites léchettes 25 en contact chacune avec une portion latérale D1 de la piste, et une grande léchette articulée 19, disposée entre les petites léchettes 25 et en contact avec la portion intermédiaire D2 de la piste 17 lorsqu’elle est en position dressée P1.
La flèche M indique le sens du montage du dispositif 18. En effet la piste 17 peut présenter des portions comme présenté dans la FIG.3 de diamètres différents.
Une étape du montage du dispositif 18 consiste à translater la base 20 par rapport à la pièce fixe 16 selon le sens de la flèche M. Au cours de cette translation, l’extrémité 19a de la grande léchette 19 risque de se retrouver en butée contre la portion D1 de la piste 17. La position escamotée P2 de la léchette articulée 19 permet ainsi de faciliter son passage de sorte qu’elle n’arrive pas en butée contre la portion D1. Une fois son passage terminé, le moyen de rappel 21 sollicite celle-ci vers sa position dressée P1, de sorte qu’à la fin du montage, la léchette 19 est au contact de la portion D2 de la piste 17.
Ainsi, cette invention permet de garantir le montage de tout type de dispositifs d’étanchéité de type labyrinthe, quel que soit leurs complexités. Cela permet également de créer des dispositifs à labyrinthe plus complexes qui augmentent l’étanchéité des interfaces entre les rotors et les stators dans les moteurs. Cette invention offre ainsi l’avantage d’améliorer les performances des moteurs.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif (18) pour l’étanchéité à l’interface entre une pièce fixe (16) et une pièce tournante (14), ce dispositif comprenant une base (20) solidaire de la pièce tournante (14), au moins une léchette (19) montée articulée par rapport à la base (20) entre une position dressée (P1) et une position escamotée (P2), i nclinée par rapport à la position dressée (P1), caractérisé en ce qu’il comprend un moyen de rappel (21) monté entre la base (20) et la léchette (19), exerçant un effort de rappel sur ladite léchette et sollicitant celle-ci vers sa position dressée (P1).
  2. 2. Dispositif (18) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de rappel (21) est un ressort à lame, qui comprend une âme (22) appliquée contre la base, et une aile (23) appliquée contre la léchette (19).
  3. 3. Dispositif (18) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la base (20) comprend une ca le (24) de maintien en saillie, contre laquelle l’âme est appliquée par un bord opposé à l’aile (23).
  4. 4. Dispositif (18) selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que l’aile (23) du moyen de rappel (21) est fixée sur la léchette (19).
  5. 5. Dispositif (18) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’aile (23) est fixée sur la léchette (19) au moyen d’une soudure ou d’une brasure.
  6. 6. Dispositif (18) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la base (20) comprend une butée (20a) contre laquelle vient s’appliquer la léchette (19) en position dressée (P1).
  7. 7. Dispositif (18) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend au moins trois léchettes, à savoir une paire de petites léchettes (25), et une grande léchette (19) articulée disposée entre les petites léchettes (25).
  8. 8. Ensemble comprenant : une pièce fixe (16) en matériau abradable formant une piste (17) présentant une symétrie de révolution ou formée d’un assemblage de plusieurs éléments ou secteurs angulaires accolés, une pièce tournante (14), montée en rotation par rapport à la pièce fixe (16), un dispositif d’étanchéité (18) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  9. 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que : la piste définit au moins trois portions cylindriques, à savoir deux portions latérales (D1) séparées par une portion intermédiaire (D2) de plus grand diamètre interne, et le dispositif (18) comprend au moins trois léchettes, à savoir une paire de petites léchettes (25) en contact chacune avec une portion latérale (D1) de la piste, et une grande léchette (19) articulée, disposée entre les petites léchettes (25) et en contact avec la portion intermédiaire (D2) de la piste lorsqu’elle est en position dressée (P1).
  10. 10. Turbomachine (1) comprenant un stator (10) et un rotor (7), et un ensemble selon la revendication 8 ou la revendication 9, dont la pièce fixe (16) est solidaire ou constitutive du stator (10) et la pièce tournante (14) solidaire ou constitutive du rotor (7).
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