FR2999236A1

FR2999236A1 - Dispositif de joint d'etancheite pour une turbomachine comportant une piece intermediaire

Info

Publication number: FR2999236A1
Application number: FR1261915A
Authority: FR
Inventors: Arnaud Jean-Marie Pierrot; Serge Rene Morreale
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-13

Abstract

L'objet principal de l'invention est un dispositif de joint d'étanchéité (1) pour une turbomachine (10), comportant une partie de support (2) et une pièce d'étanchéité (3), caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pièce intermédiaire (4) insérée au moins partiellement entre la partie de support (2) et la pièce d'étanchéité (3), la pièce intermédiaire (4) étant montée sur la partie de support (2) de façon à définir un jeu (J) entre la pièce intermédiaire (4) et la partie de support (2) pour permettre la dilation thermique de la pièce intermédiaire (4) et de la pièce d'étanchéité (3).

Description

DISPOSITIF DE JOINT D'ETANCHEITE POUR UNE TURBOMACHINE COMPORTANT UNE PIECE INTERMEDIAIRE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines, et plus particulièrement au domaine général des dispositifs d'étanchéité destinés à assurer l'étanchéité entre deux enceintes d'une turbomachine. Elle concerne plus spécifiquement un dispositif de joint d'étanchéité, ainsi qu'une turbomachine comportant un tel dispositif. L'invention s'applique à tout type de turbomachines terrestres ou aéronautiques, et notamment aux turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs. Plus préférentiellement, l'invention peut s'appliquer à un turboréacteur double corps et double flux. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine des turbomachines, il existe différents types de systèmes d'étanchéité pour assurer l'étanchéité entre deux parties de la turbomachine. On peut notamment distinguer les systèmes d'étanchéité « à contact permanent » et les systèmes d'étanchéité « sans contact ». Les systèmes d'étanchéité « à contact permanent» regroupent par exemple les joints à brosse et les joints radiaux segmentés, et se caractérisent par le fait d'avoir, en fonctionnement normal, un contact permanent entre deux pièces de la turbomachine. Les systèmes d'étanchéité « sans contact » comportent par exemple les joints à labyrinthe, et se caractérisent par une absence de contact entre les pièces de la turbomachine, sauf le cas échéant lors d'événements particuliers comme des niveaux de balourd importants ou des manoeuvres sévères de la turbomachine. Pour de tels systèmes d'étanchéité, il peut y avoir un risque d'être thermiquement instable lors du fonctionnement de la turbomachine. En effet, d'une part, le frottement dû au contact entre deux pièces de la turbomachine, par exemple une pièce d'un rotor avec une pièce d'un stator ou deux pièces de rotor entre elles, génère un échauffement. D'autre part, pendant les phases transitoires, le resserrement du contact entre les deux pièces évolue : le contact s'ouvre (les pièces s'écartent) ou le contact se ferme (les pièces se rapprochent). Lorsque le contact se ferme, le frottement et donc l'échauffement, augmentent.

Or, chacune des pièces en contact, à savoir notamment une pièce radialement extérieure et une pièce radialement intérieure, possède un temps de réponse thermique qui lui est propre, ce temps de réponse thermique étant fonction du matériau et de la géométrie de la pièce. Il peut ainsi y avoir un risque d'instabilité thermique lorsque le temps de réponse thermique des deux pièces n'est pas le même, en particulier lorsque le temps de réponse thermique de la pièce radialement intérieure est plus faible que celui de la pièce radialement extérieure, autrement dit lorsque la pièce radialement intérieure réagit thermiquement plus vite que la pièce radialement extérieure. Il peut également y avoir un risque d'instabilité thermique lorsque la dilatation de la pièce radialement extérieure est empêchée par son environnement.

Par conséquent, une augmentation de l'échauffement entre les deux pièces de la turbomachine, notamment du fait d'un resserrage du contact entre les pièces pendant une phase transitoire, peut alors entraîner une dilatation rapide de la pièce radialement intérieure et une dilatation plus lente de la pièce radialement extérieure. La dilatation entraîne à son tour un resserrement du contact entre les pièces, et donc une augmentation de l'échauffement entre les pièces, qui provoque elle-même un nouveau resserrement du contact du fait de la dilatation, et ainsi de suite. Ce comportement divergent peut alors conduire à des niveaux élevés de température qui peuvent mettre en péril l'intégrité des pièces, conduisant par exemple à une rupture des pièces. De tels inconvénients peuvent se retrouver aussi bien pour des systèmes d'étanchéité «à contact permanent» que des systèmes d'étanchéité « sans contact ». A titre d'exemple, on a illustré sur la figure 1, en coupe, un exemple de turbomachine 10 comportant un dispositif de joint d'étanchéité 1 selon l'art antérieur du type « à contact permanent », muni d'un joint à brosse 3. Les joints à brosse sont par exemple connus des brevets US 4,781,388, US 5,480,162 et US 6,170,831. Ils sont constitués d'une pluralité de poils ou fils, par exemple en carbone (cas de la figure 1), voire en métal ou kevlar®, qui sont sertis ou soudés et maintenus dans un logement à l'une de leurs extrémités et qui sont en contact, à leurs extrémités libres, avec la surface de la partie à étancher de la turbomachine. De tels joints à brosse peuvent permettre de s'adapter aux variations de jeu que subissent les dispositifs d'étanchéité. En effet, les poils d'un joint à brosse peuvent s'adapter par construction aux surfaces déformées ou discontinues de la partie à étancher. Comme on peut le voir sur la figure 1, le joint à brosse 3 est monté serré sur une partie de support 2 (ou couvercle 2) et plaqué contre cette partie de support 2 par l'intermédiaire d'une plaque de compression 6. Les déplacements du joint à brosse 3 sont contraints par les déplacements de la partie de support 2. L'étanchéité réalisée grâce au joint à brosse 3 est obtenue par contact entre une nappe de poils en carbone 11 et une piste 5 d'une pièce radialement intérieure à étancher. L'efficacité de ce type d'étanchéité utilisant des poils 11 en carbone nécessite une interpénétration entre les poils 11 et la piste 5, de laquelle il résulte un frottement conséquent, par exemple d'une puissance de quelques centaines de watts en fonctionnement normal. Ainsi, dans la configuration de la figure 1, le risque de divergence thermique peut être important pour deux raisons. Premièrement, la piste 5 peut se dilater quasiment instantanément en cas d'échauffement tandis que la partie de support 2, pilotant les déplacements du joint à brosse 3, ne peut se dilater que très lentement (le joint à brosse carbone conduisant assez mal la chaleur). Deuxièmement, la géométrie de la partie de support 2 (raideur radiale) peut empêcher la dilatation du joint à brosse 3. De manière générale, lorsque la géométrie des pièces de la turbomachine ou lorsque les matériaux utilisés sont tels que la pièce radialement extérieure réagit thermiquement plus lentement que la pièce radialement intérieure ou que sa dilatation est empêchée (cas de la figure 1), il peut y avoir un risque de divergence thermique et donc un risque important quant à l'intégrité des pièces à étancher. Dans le cas de poils en métal, l'interpénétration entre les poils et la piste n'est pas véritablement souhaitée car elle génère une puissance de frottement très importante et une usure de la piste. Aussi, le jeu entre l'extrémité des poils et la piste est dimensionné de manière à avoir un affleurement en fonctionnement continu et à limiter les interpénétrations pendant des phases transitoires. D'autres phases transitoires peuvent en outre conduire à un écartement entre les poils et la piste, provoquant une perte d'étanchéité importante. Ainsi, dans le cas particulier de joints à brosse métallique, l'affleurement recherché entre les poils et la piste ne peut être obtenu pour toutes les phases fonctionnement : certaines phases transitoires peuvent présenter un risque de divergence thermique, d'autres phases un risque de perte d'étanchéité. EXPOSÉ DE L'INVENTION Par conséquent, l'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur. L'invention vise notamment à proposer une solution pour concevoir un dispositif de joint d'étanchéité pour une turbomachine qui soit thermiquement stable, c'est-à-dire qui présente un risque de divergence thermique diminué, voire inexistant, et qui soit asservi à la thermique de son environnement, c'est-à-dire qui soit optimisé pour toutes les phases de fonctionnement. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un dispositif de joint d'étanchéité pour une turbomachine, comportant une partie de support et une pièce d'étanchéité, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pièce intermédiaire insérée au moins partiellement entre la partie de support et la pièce d'étanchéité, la pièce intermédiaire étant montée sur la partie de support de façon à définir un jeu entre la pièce intermédiaire et la partie de support pour permettre la dilation thermique de la pièce intermédiaire et de la pièce d'étanchéité. Grâce à l'invention, il peut être possible de diminuer, voire d'éliminer, le risque de divergence thermique d'un dispositif de joint d'étanchéité d'une turbomachine, et d'optimiser l'étanchéité pour toutes les phases de fonctionnement. La présence d'une pièce intermédiaire entre la partie de support et la pièce d'étanchéité peut permettre d'améliorer le temps de réponse thermique de la pièce radialement extérieure et également permettre de s'affranchir de l'effet géométrique pouvant empêcher sa dilatation. L'invention peut être appliquée sans nécessiter de restriction particulière sur le choix des matériaux, ni sur l'intégration du dispositif de joint d'étanchéité dans son environnement. L'invention peut en outre ne nécessiter qu'un encombrement réduit. L'invention peut s'appliquer à tout type de système d'étanchéité, notamment aux systèmes d'étanchéité « à contact permanent » ou aux systèmes d'étanchéité « sans contact », tels que ceux décrits précédemment. L'invention peut en particulier trouver une application pour un système d'étanchéité qui présente un risque de divergence thermique entre deux pièces d'une turbomachine. Dans toute la description, il est noté que la direction axiale correspond à la direction de l'axe de rotation du rotor de la turbomachine, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe de rotation. Les dénominations « radialement extérieure » et « radialement intérieure » pour une pièce désignent respectivement une partie de la pièce dirigée à l'opposé de l'axe de rotation de la turbomachine et une partie de la pièce dirigée vers l'axe de rotation de la turbomachine. Le dispositif de joint d'étanchéité selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. Le jeu entre la partie de support et la pièce intermédiaire peut être supérieur ou égal à 0,1 mm, voire supérieur ou égal à 0,5 mm, voire encore supérieur ou égal à 1 mm. Le jeu peut en particulier être choisi de sorte à permettre la dilatation thermique.

Le jeu entre la partie de support et la pièce intermédiaire peut permettre le montage de la pièce intermédiaire relativement à la partie de support. Il peut en outre permettre d'assurer la dilatation libre de la pièce intermédiaire, en cas d'échauffement, indépendamment de la partie de support. Le jeu peut être dimensionné pour permettre une libre dilatation de la pièce intermédiaire pour des températures élevées. La surface d'échange thermique entre la pièce d'étanchéité et la pièce intermédiaire peut être définie aussi grande que possible pour favoriser les échanges thermiques par conduction. Ainsi, en cas d'échauffement, la pièce intermédiaire peut rapidement monter en température.

La pièce intermédiaire peut être réalisée dans un matériau de la même famille de matériau que la partie de support ou dans un matériau d'une famille de matériau présentant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la partie de support.

Le jeu entre la pièce intermédiaire et la partie de support peut être ajusté, en particulier augmenté, pour éviter tout blocage en cas d'écart significatif entre les coefficients de dilatation thermique de la pièce intermédiaire et de la partie de support, en particulier pour le cas où le coefficient thermique de la pièce intermédiaire est significativement supérieur à celui de la partie de support.

Le dispositif de joint d'étanchéité peut en outre comporter une pièce radialement intérieure munie d'une piste, apte à venir au contact de la pièce d'étanchéité. Afin d'optimiser l'étanchéité pour toutes les phases de fonctionnement, la pièce intermédiaire et la piste peuvent de préférence être réalisées dans des matériaux appartenant à une même famille de matériau. Le rapport du coefficient de dilatation thermique de la pièce intermédiaire sur le coefficient de dilatation thermique de la piste peut être supérieur ou égal à 1. Le comportement thermique de la pièce intermédiaire par rapport à la piste, résultant notamment de l'écart entre les coefficients de dilatation thermique de la pièce intermédiaire et de la piste, peut permettre la « désolidarisation » recherchée entre la pièce d'étanchéité et la partie de support. La pièce intermédiaire peut être montée serrée, notamment avec frettage, sur la partie de support pour assurer une étanchéité entre la partie de support et la pièce intermédiaire. De la sorte, on peut empêcher toute fuite d'air ou d'huile par exemple entre la pièce intermédiaire et la partie de support. La pièce d'étanchéité peut être un joint à brosse ou un joint à labyrinthe. La pièce intermédiaire peut comporter un logement dont la forme épouse au moins partiellement la forme extérieure de la pièce d'étanchéité. En particulier, le logement peut épouser la forme de la zone torique du joint à brosse.

Le montage de la pièce intermédiaire avec frettage sur la partie de support peut contribuer à l'anti-rotation de la pièce intermédiaire par rapport à la partie de support. Néanmoins, le dispositif de joint d'étanchéité peut comporter des clavettes entre la partie de support et la pièce intermédiaire pour empêcher la rotation de la pièce intermédiaire relativement à la partie de support. En effet, en cas de dilatation de la pièce intermédiaire, le serrage avec frettage peut n'être pas assez suffisant pour assurer la fonction d'anti-rotation. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une turbomachine caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de joint d'étanchéité tel que défini précédemment. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, ainsi qu'a l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, en coupe, un exemple de turbomachine comportant un dispositif de joint d'étanchéité selon l'art antérieur, et - la figure 2 représente, en coupe, un exemple de turbomachine comportant un dispositif de joint d'étanchéité selon l'invention. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER La figure 1, relative à un exemple de turbomachine comportant un dispositif de joint d'étanchéité selon l'art antérieur, a été décrite précédemment. En référence à la figure 2, on a représenté, en coupe, un exemple de turbomachine 10 comportant un dispositif de joint d'étanchéité 1 selon l'invention.

Le dispositif de joint d'étanchéité 1 comporte une partie de support 2 pour une pièce d'étanchéité 3 sous la forme d'un joint à brosse. Une plaque de compression 6 permet de maintenir le joint à brosse 3 contre la partie de support 2. Conformément à l'invention, le dispositif de joint d'étanchéité 1 comporte en outre une pièce intermédiaire 4, insérée entre la partie de support 2 et le joint à brosse 3. La pièce intermédiaire 4 est montée sur la partie de support 2 de façon à définir un jeu J entre la pièce intermédiaire 4 et la partie de support 2, pour permettre la dilatation thermique de la pièce intermédiaire 4 et de la pièce d'étanchéité 3. Le dispositif de joint d'étanchéité 1 comporte également une pièce radialement intérieure 5 munie d'une piste venant au contact des poils 11 du joint à brosse 3. Par ailleurs, la pièce intermédiaire 4 comporte un logement 8 qui présente une forme épousant la forme extérieure de la zone torique 9 du joint à brosse 3. La présence de la pièce intermédiaire 4 peut permettre au joint à brosse 3 (pièce radialement extérieure) d'avoir un degré de liberté par rapport à la partie de support 2 pour lui permettre de se dilater librement en cas d'échauffement et d'avoir ainsi un temps de réponse thermique quasiment semblable à celui de la pièce radialement intérieure 5. La pièce intermédiaire 4 est en particulier montée serrée avec frettage 7 sur la partie de support 2 de façon à garantir une étanchéité entre la partie de support 2 et la pièce intermédiaire 4, notamment pour éviter tout risque de fuite d'air ou d'huile entre la partie de support 2 et la pièce intermédiaire 4. En outre, le montage avec frettage 7 de la pièce intermédiaire 4 relativement à la partie de support 2 contribue à empêcher la rotation de la pièce intermédiaire 4 par rapport à la partie de support 2, même si cette fonction d'anti-rotation peut principalement être assurée par des clavettes (non représentées) placées entre la partie de support 2 et la pièce intermédiaire 4. Le jeu J entre la partie de support 2 et la pièce intermédiaire 4 peut permettre le montage de la pièce intermédiaire 4 relativement à la partie de support 2, et principalement permettre à la pièce intermédiaire 4, en cas d'échauffement, de se dilater indépendamment de la partie de support 2. L'étanchéité réalisée par l'intermédiaire du montage avec frettage 7 et la fonction d'anti-rotation par des clavettes entre la pièce intermédiaire 4 et la partie de support 2 peuvent permettre de garantir un fonctionnement optimum du dispositif de joint d'étanchéité 1. La présence de la pièce intermédiaire 4, montée avec un jeu J relativement à la partie de support 2, peut permettre d'obtenir un temps de réponse de la pièce intermédiaire 4, pilotant les déplacements du joint à brosse 3, fortement réduit du fait d'une surface d'échange thermique par conduction entre le joint à brosse 3 et la pièce intermédiaire 4 optimisée, et du fait de l'utilisation préférentielle d'une pièce intermédiaire 4 peu massive avec très peu d'inertie thermique. De plus, la pièce intermédiaire 4 peut se comporter thermiquement comme un anneau libre avec une dilatation non contrainte par son environnement.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier. L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de joint d'étanchéité (1) pour une turbomachine (10), comportant une partie de support (2) et une pièce d'étanchéité (3), caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pièce intermédiaire (4) insérée au moins partiellement entre la partie de support (2) et la pièce d'étanchéité (3), la pièce intermédiaire (4) étant montée sur la partie de support (2) de façon à définir un jeu (J) entre la pièce intermédiaire (4) et la partie de support (2) pour permettre la dilation thermique de la pièce intermédiaire (4) et de la pièce d'étanchéité (3).
2. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (4) est réalisée dans un matériau de la même famille de matériau que la partie de support (2) ou dans un matériau d'une famille de matériau présentant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la partie de support (2).
3. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pièce radialement intérieure munie d'une piste (5), apte à venir au contact de la pièce d'étanchéité (3).
4. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (4) et la piste (5) sont réalisées dans des matériaux appartenant à une même famille de matériau.
5. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le rapport du coefficient de dilatation thermique de la pièce intermédiaire (4) sur le coefficient de dilatation thermique de la piste (5) est supérieur ou égal à 1.
6. Dispositif de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (4) est montée serrée avecfrettage (7) sur la partie de support (2) pour assurer une étanchéité entre la partie de support (2) et la pièce intermédiaire (4).
7. Dispositif de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce d'étanchéité (3) est un joint à brosse ou un joint à labyrinthe.
8. Dispositif de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (4) comporte un logement (8) dont la forme épouse au moins partiellement la forme extérieure de la pièce d'étanchéité (3).
9. Dispositif de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des clavettes entre la partie de support (2) et la pièce intermédiaire (4) pour empêcher la rotation de la pièce intermédiaire (4) relativement à la partie de support (2).
10. Turbomachine (10) caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de joint d'étanchéité (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.20