FR3071539A1 - Joint d'etancheite a labyrinthe pour une turbomachine d'aeronef - Google Patents

Joint d'etancheite a labyrinthe pour une turbomachine d'aeronef Download PDF

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Abstract

Joint d'étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, en particulier d'aéronef, comportant un élément de rotor (14) tournant autour d'un axe de rotation (A), et un élément de stator (16) s'étendant autour de l'élément de rotor, l'élément de rotor (14) comportant une série de léchette(s) (12) annulaire(s) s'étendant radialement vers l'extérieur et entourée par au moins un élément abradable (18) porté par l'élément de stator (16), chaque léchette (12) comportant une partie de corps périphérique interne (12a), une partie de corps périphérique externe (12b) et une face annulaire amont (20a) d'impact d'un flux d'air en fonctionnement, caractérisé en ce qu'au moins une léchette (12) présente, en observation du côté de ladite face annulaire amont (20a), une première cavité annulaire (22) à section incurvée concave au niveau de sa partie de corps périphérique interne (12a), et une deuxième cavité annulaire (24) à section incurvée concave au niveau de sa partie de corps périphérique externe (12b).

Description

DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un joint d’étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, en particulier d’aéronef.
ETAT DE L’ART
Il est connu d’équiper une turbomachine de joints d’étanchéité à labyrinthe qui sont des joints d’étanchéité dynamique dont l’étanchéité est assurée par des léchettes tournantes. Comme cela est représenté à la figure 1, les léchettes 12 sont portées par un élément de rotor 14 de la turbomachine 10, qui tourne à l’intérieur d’un élément de stator 16 et sont entourées par des éléments abradables 18 tels que des blocs ou un revêtement de matière abradable portés par cet élément de stator 16.
Les éléments abradables 18 ont pour but de protéger les léchettes 12 des risques d’usure par contact avec l’élément de stator 16 qui les entoure. Les contacts avec les éléments abradables 18 peuvent être évités ou au contraire recherchés par exemple pour optimiser les jeux radiaux J autour des léchettes. Les types d’éléments abradables 18 et de léchettes 12 peuvent être adaptés en conséquence.
Cette technologie peut être utilisée pour assurer une étanchéité aux sommets des aubes d’une roue de rotor, ces aubes portant des léchettes annulaires, éventuellement sectorisées, qui sont entourées par des éléments abradables portés par un carter de stator (voir notamment FR-A13 001 759). Elle peut également être utilisée pour assurer une étanchéité entre une portion d’arbre ou de tourillon et un stator de la turbomachine. Le nombre et les dimensions des léchettes sont notamment fonction de l’espace radial disponible entre les éléments à étanchéifier.
En fonctionnement, comme cela est représenté aux figures 2 et 3, les léchettes 12 ont pour fonction de perturber le flux de gaz qui tente de s’écouler entre les éléments 14, 16 de l’amont vers l’aval, c'est-à-dire de gauche à droite dans les dessins. Cela crée des turbulences dans le flux de gaz qui génèrent des pertes de charge et améliorent ainsi l’étanchéité du joint.
Au niveau de chaque léchette 12 à franchir, le flux d’air est perturbé une première fois lorsqu’il impacte le corps de la léchette (flèche F1). Le flux d’air franchit le jeu radial J au sommet de la léchette 12 puis est perturbé une seconde fois (flèche F2) suite à l’augmentation brusque de la section de passage après traversée de la léchette. Plus le nombre de léchettes 12 est important, plus cela génère de turbulences dans le flux d’air, et plus l’étanchéité du joint est améliorée.
La présente invention propose un perfectionnement à cette technologie pour améliorer l’étanchéité du joint d’étanchéité de façon simple, efficace et économique.
EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention propose un joint d’étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant un élément de rotor tournant autour d’un axe de rotation, et un élément de stator s’étendant autour de l’élément de rotor, l’élément de rotor comportant une série de léchette(s) annulaire(s) s’étendant radialement vers l’extérieur et entourée par au moins un élément abradable porté par l’élément de stator, chaque léchette comportant une partie de corps périphérique interne, une partie de corps périphérique externe et une face annulaire amont d’impact d’un flux d’air en fonctionnement, caractérisé en ce qu’au moins une léchette présente, en observation du côté de ladite face annulaire amont, une première cavité annulaire à section incurvée concave au niveau de sa partie de corps périphérique interne, et une deuxième cavité annulaire à section incurvée concave au niveau de sa partie de corps périphérique externe.
La seconde cavité annulaire au sommet de la léchette a pour but d’augmenter les turbulences dans le flux de gaz traversant les léchettes en fonctionnement. Le phénomène qui a lieu au niveau de la seconde cavité est globalement le même que celui décrit dans ce qui précède, à ceci près qu’il est amplifié en permettant deux perturbations de flux à deux niveaux distincts d’une léchette qui vont à l’encontre de la progression des gaz dans la turbomachine.
En effet, au niveau de chaque léchette à franchir dont le sommet comporte une cavité, le flux d’air est perturbé une première fois lorsqu’il impacte le corps de la léchette et s’engouffre dans la première cavité. Le flux d’air est ensuite perturbé une seconde fois lorsqu’il s’écoule dans la seconde cavité. Il franchit enfin le jeu radial au sommet de la léchette et est perturbé une troisième fois suite à l’augmentation de la section de passage après traversée de la léchette. La double concavité selon l’invention permet de générer deux perturbations de flux qui vont à l’encontre de la progression des gaz dans la turbomachine. Les turbulences dans le flux de gaz, après passage d’une léchette, sont donc amplifiées, ce qui permet d’améliorer les performances du joint d’étanchéité.
L’invention permet ainsi, pour un même niveau d’étanchéité, de réduire l’encombrement et la masse du joint, par exemple en supprimant une des léchettes. Elle permet également, pour un même nombre de léchettes, d’augmenter de manière significative le niveau d’étanchéité du joint. Elle permet en outre, pour un même niveau d’étanchéité, de conserver le nombre de léchettes mais d’augmenter les jeux radiaux avec l’élément qui l’entoure afin d’une part de simplifier leur intégration en réduisant les contraintes au montage, et d’autre part de faciliter le contrôle des jeux.
Le joint selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- chacune desdites première et deuxième cavités est conformée pour orienter le flux d’air vers l’amont et radialement vers l’extérieur,
- au moins deux desdites léchettes sont séparées l’une de l’autre par un espace annulaire dont une dimension radiale maximale E1 est supérieure aux dimensions radiales maximales E2, E3 respectivement desdites première et deuxième cavités,
- le ratio E2/E1 est compris entre 20 et 80%, de préférence entre 40 et 60%,
- le ratio E3/E1 est compris entre 20 et 80%, de préférence entre 20 et 50%,
- le ratio E3/E2 est compris entre 20 et 60%,
- ladite au moins une léchette a son corps qui présente une symétrie par rapport à un plan médian sensiblement perpendiculaire audit axe de rotation,
- ladite deuxième cavité s’étend depuis ladite face amont en direction de l’aval, et traverse ledit plan médian,
- la partie de corps périphérique externe est effilée vers le sommet de la léchette,
- la deuxième cavité débouche sur le sommet de la léchette,
- la léchette comprend au moins une cavité annulaire supplémentaire à section incurvée concave sur sa face annulaire amont,
- le rayon de courbure de la première cavité est compris entre 0,5mm et 2mm, et le rayon de courbure de la deuxième cavité est compris entre 0,8mm et 2,5mm.
La présente invention concerne encore une turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un joint tel que décrit cidessus.
DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement 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 demi-vue schématique en coupe axiale d’un joint d’étanchéité à labyrinthe de turbomachine, selon la technique antérieure ;
- les figures 2 et 3 sont des vues schématiques à plus grandes échelles de détails de la figure 1 ;
- la figure 4 est une demi-vue schématique en coupe axiale d’un joint d’étanchéité à labyrinthe de turbomachine, selon l’invention ;
- la figure 5 est une vue schématique à plus grande échelle d’un détail de la figure 4, et
- la figure 6 est une vue schématique similaire à celle de la figure 4 et montrant une variante de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Les figures 1 à 3 ont été décrites dans ce qui précède.
Les figures 4 et 5 représentent un mode de réalisation de l’invention.
Comme dans la technique antérieure, chaque léchette 12 comprend un corps annulaire et un sommet annulaire libre, en général en pointe, c’est-à-dire dont la largeur ou dimension axiale est inférieure à celle du corps 12a.
Dans l’exemple représenté, le corps de la léchette comprend un corps périphérique interne 12a et un corps périphérique externe 12b. Le corps périphérique interne 12a présente une symétrie par rapport à un plan médian P sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation de l’élément de rotor 14.
Chaque léchette 12 comprend une face annulaire amont 20a et une face annulaire aval 20b, le flux de gaz s’écoulant de l’amont vers l’aval à travers le joint d’étanchéité et plus généralement dans la turbomachine, et de la gauche vers la droite dans les dessins.
Le corps périphérique interne 12a de chaque léchette 12 comprend, en observation du côté de la face amont 20a, une première cavité annulaire 22 à section de forme arrondie concave. Du fait de la symétrie du corps périphérique interne 12a, ce dernier comprend en outre, du côté de la face aval 20b, une autre cavité annulaire à section de forme arrondie concave similaire à la première cavité annulaire 22.
Selon l’invention, le corps périphérique externe 12b comprend le sommet de la léchette, et préférentiellement une ou l’ensemble des léchettes, présente, en observation du côté de la face amont 20a, une deuxième cavité annulaire 24 à section de forme arrondie concave formée dans ce corps périphérique externe 12b.
Dans un joint d’étanchéité à deux ou plus léchettes 12, une partie ou la totalité des léchettes peut être équipée de telles première et seconde cavités. Idéalement, elles le sont toutes.
Dans l’exemple représenté, les fonds des cavités 22, 24 se rejoignent pour former une arête annulaire en saillie, référencée 25.
Les cavités annulaires 24 qui s’étendent ainsi au niveau des sommets des léchettes 12 ont pour but d’augmenter les turbulences dans le flux de gaz traversant les léchettes en fonctionnement.
Plus précisément, au niveau de chaque léchette 12 à franchir dont le corps périphérique interne 12a comporte une cavité 22, le flux d’air est perturbé une première fois lorsqu’il impacte le corps de la léchette 12. La cavité 22 est configurée pour dévier et guider le flux d’air radialement vers l’extérieur (flèche F1). Le flux d’air s’écoule ensuite dans la cavité 24 et est à nouveau dévié et guidé radialement vers l’extérieur, et donc vers le sommet de la léchette (flèche F2’). Le flux d’air franchit le jeu radial au sommet de la léchette puis est perturbé une nouvelle fois suite à l’augmentation de la section de passage après traversée de la léchette (flèche F3’). Les turbulences dans le flux de gaz, après passage d’une léchette, sont donc amplifiées par rapport à la technique antérieure, ce qui permet d’améliorer les performances du joint d’étanchéité. La géométrie des léchettes est modifiée pour définir deux cavités venant amplifier la perturbation de l’écoulement de fuite à travers les léchettes. La présence de la seconde cavité entraîne la formation d’un sommet plus pointu qui vient maximiser les pertes de charge.
Dans l’exemple représenté à la figure 5, chaque cavité 22, 24 a en section une forme générale en C et présente un rayon de courbure noté R1 ou R2. Le rayon de courbure R1 est par exemple compris entre 0,5mm et
2mm et le rayon de courbure R2 est par exemple compris entre 0,8mm et 2,5mm. Ces plages de valeurs sont avantageuses pour provoquer une perturbation qui va à l’encontre du flux général des gaz.
Les léchettes 12 sont séparées les unes des autres par des espaces annulaires 26 qui ont une dimension radiale maximale notée E1 (figure 5). E1 est supérieure aux dimensions radiales maximales notées E2 et E3 des cavités 22, 24.
Avantageusement, le ratio E2/E1 est compris entre 20 et 80%, de préférence entre 40 et 60%, le ratio E3/E1 est compris entre 20 et 80%, de préférence entre 20 et 50%.
Dans les exemples représentés, les espaces 26 ont en section une forme générale en U.
La figure 6 représente une variante de réalisation dans laquelle les léchettes comportent chacune trois cavités annulaires 22a, 22b et 24 à section de forme arrondie concave. La cavité 24 est similaire à celle décrite dans ce qui précède et la cavité 22 précitée est remplacée par deux cavités 22a, 22b disposées radialement l’une à côté de l’autre sur la face amont 20a de la léchette 12. Les cavités 22a, 22b présentent une dimension radiale cumulée E2.
Chaque léchette peut comprendre entre deux et cinq léchettes sur sa face annulaire amont. On peut se limiter à deux ou trois cavités pour faciliter la fabrication.

Claims (12)

1. Joint d’étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant un élément de rotor (14) tournant autour d’un axe de rotation (A), et un élément de stator (16) s’étendant autour de l’élément de rotor, l’élément de rotor (14) comportant une série de léchette(s) (12) annulaire(s) s’étendant radialement vers l’extérieur et entourée par au moins un élément abradable (18) porté par l’élément de stator (16), chaque léchette (12) comportant une partie de corps périphérique interne (12a), une partie de corps périphérique externe (12b) et une face annulaire amont (20a) d’impact d’un flux d’air en fonctionnement, caractérisé en ce qu’au moins une léchette (12) présente, en observation du côté de ladite face annulaire amont (20a), une première cavité annulaire (22) à section incurvée concave au niveau de sa partie de corps périphérique interne (12a), et une deuxième cavité annulaire (24) à section incurvée concave au niveau de sa partie de corps périphérique externe (12b).
2. Joint selon la revendication précédente, dans lequel chacune desdites première et deuxième cavités (22, 24) est conformée pour orienter le flux d’air vers l’amont et radialement vers l’extérieur.
3. Joint selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins deux desdites léchettes (12) sont séparées l’une de l’autre par un espace annulaire (26) dont une dimension radiale maximale E1 est supérieure aux dimensions radiales maximales E2, E3 respectivement desdites première et deuxième cavités (22, 24).
4. Joint selon la revendication précédente, dans lequel le ratio E2/E1 est compris entre 20 et 80%.
5. Joint selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le ratio E3/E1 est compris entre 20 et 80%.
6. Joint selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une léchette (12) a sa partie de corps périphérique interne (12a) qui présente une symétrie par rapport à un plan médian (P) sensiblement perpendiculaire audit axe de rotation (A).
7. Joint selon la revendication précédente, dans lequel ladite deuxième cavité (24) s’étend depuis ladite face annulaire amont (20a) en direction de l’aval, et traverse ledit plan médian (P).
8. Joint selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la partie de corps périphérique externe (12b) est effilée vers le sommet de la léchette (12).
9. Joint selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième cavité (24) débouche sur le sommet de la léchette (12).
10. Joint selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rayon de courbure (R1) de la première cavité (22) est compris entre 0,5mm et 2mm, et le rayon de courbure (R2) de la deuxième cavité (24) est compris entre 0,8mm et 2,5mm.
11. Joint selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la léchette (12) comprend au moins une cavité annulaire supplémentaire à section incurvée concave sur sa face annulaire amont (20a).
12. Turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un joint selon l’une des revendications précédentes.
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