Joint d'étanchéité entre les carters intérieur et extérieur d'une section de turboréacteur

Abstract

 L'invention concerne une section de turboréacteur comportant un carter externe ayant une surface (9) qui s'étend radialement vers l'intérieur, un carter interne ayant une paroi (8) sensiblement axiale qui s'étend vers ladite surface, et un joint d'étanchéité (20) disposé entre ladite paroi et ladite surface et destiné à assurer l'étanchéité entre les régions à haute et basse pressions situés de part et d'autre dudit joint, caractérisée par le fait que ledit joint est réalisé sous la forme d'une virole annulaire en tôle présentant une première partie (21) sensiblement cylindrique fixée de manière étanche sur une face de la paroi axiale (8) et une deuxième partie (22) prolongeant ladite première partie et située dans l'espace (23) séparant ladite paroi axiale de ladite surface radiale, ladite deuxième partie présentant, en coupe selon un plan radial contenant l'axe du turboréacteur, un profil en V et présentant une portion d'extrémité (25a) en appui coulissant et étanche contre ladite surface radiale (9).

Description

[0001] L'invention concerne l'étanchéité entre deux enceintes d'un turboréacteur délimitées par des carters et soumises à des pressions différentes.

[0002] Elle concerne plus précisément une section de turboréacteur comportant un carter extérieur ayant une surface qui s'étend radialement vers l'intérieur, un carter intérieur ayant une paroi sensiblement axiale qui s'étend vers ladite surface et un joint d'étanchéité disposé entre ladite paroi et ladite surface et destiné à assurer l'étanchéité entre les régions à haute et basse pressions situées de part et d'autre dudit joint.

[0003] Un turboréacteur comporte un canal annulaire dans lequel circule un fluide chaud de travail dont la température et la pression varient en fonction de la puissance demandée au moteur. Ces variations de température entraînent des dilatations des carters entourant le canal, et certaines pièces, notamment au niveau des turbines, soumises aux températures les plus élevées, nécessitent un refroidissement par un air frais sous haute pression. Le refroidissement est réalisé par un prélèvement d'air au niveau d'un étage du compresseur haute pression. Cet air de refroidissement circule dans des enceintes ménagées entre un carter extérieur et un carter intérieur des sections de compresseur et de turbines.

[0004] Du fait des variations de charge, qui entraînent des variations de température et de dilatation des carters, des jeux sont prévus entre les extrémités des deux carters de chaque section, opposées aux extrémités fixées entre elles par boulonnage. Pour éviter les fuites, entre l'enceinte soumise à une haute pression et l'enceinte soumise à une pression plus faible, ce qui conduirait à une baisse de rendement du moteur, il est nécessaire d'étancher les jeux par des joints dilatables supportant les écarts de pression et de température entre les deux enceintes.

[0005] US 6 431 555 et US 6 464 457 montrent des joints annulaires constitués par une pluralité de segments à lamelles retenus par des broches sur le carter interne et maintenus en appui sur deux sièges respectifs des deux carters par des ressorts. Ces dispositions nécessitent beaucoup de main d'oeuvre au montage et des fuites peuvent encore se produire entre des lamelles voisines.

[0006] Une autre technique employée dans un compresseur haute pression, montrée sur la figure 1, consiste à positionner entre deux surfaces radiales prévues, en vis à vis, l'une sur le carter extérieur et l'autre sur le carter intérieur, un joint annulaire de type Oméga qui se présente sous la forme d'un soufflet maintenu en compression entre lesdites deux surfaces.

[0007] Du fait de déplacements relatifs importants en fonctionnement entre les deux carters formant la cavité du joint, dans des directions à la fois radiales et axiales, ce joint Oméga se dégrade rapidement et se fractionne en plusieurs morceaux. L'étanchéité n'est alors plus assurée de manière satisfaisante, ce qui peut entraîner un réchauffement de l'air de refroidissement de la turbine, et une modification des jeux radiaux pouvant dégrader la marge au pompage du compresseur.

[0008] En outre, ce joint Oméga est maintenu radialement entre deux parois axiales complémentaires annulaires, formées l'une sur le carter intérieur et l'autre sur le carter extérieur, dont l'une au moins s'étend vers la surface radiale de l'autre carter et peut être soumise à des contraintes axiales dans certaines conditions de fonctionnement du turboréacteur. Ceci exige des opérations supplémentaires d'usinage pour réaliser ces parois axiales complémentaires qui, dans certaines conditions, empêchent une dilatation libre du carter intérieur par rapport au carter extérieur.

[0009] L'invention a pour premier but d'assurer une étanchéité pérenne entre deux carters d'une section de turboréacteur, par la mise en place d'un nouveau type de joint mieux adapté aux conditions de fonctionnement.

[0010] Un autre but de l'invention est de proposer un type de joint qui permette de simplifier la structure des carters à l'emplacement de la zone à étancher.

[0011] L'invention atteint son but par le fait que le joint est réalisé sous la forme d'une virole annulaire en tôle présentant une première partie sensiblement cylindrique fixée de manière étanche sur une face de la paroi axiale et une deuxième partie prolongeant ladite première partie, et située dans l'espace séparant ladite paroi axiale de ladite surface radiale, ladite deuxième partie présentant, en coupe selon un plan radial contenant l'axe du turboréacteur, un profil en V et présentant une portion d'extrémité en appui coulissant et étanche contre ladite surface radiale.

[0012] Le joint proposé se présente ainsi sous la forme d'un anneau en tôle ayant une première partie cylindrique qui s'emmanche sur la paroi cylindrique du carter intérieur, et une deuxième partie constituée par deux portions tronconiques raccordées entre elles, et dont la portion médiane est raccordée à la première partie cylindrique, l'extrémité libre de l'autre portion tronconique étant en appui coulissant sur la surface radiale du carter externe.

[0013] La paroi radiale du carter interne et les parois axiales complémentaires des deux carters de l'état de la technique n'ont plus d'utilité et peuvent être supprimées.

[0014] La première partie du joint peut être fixée sur la paroi axiale du carter interne par rivetage ou boulonnage.

[0015] Elle peut avantageusement être fixée sur la paroi axiale du carter interne par brasage, ce qui améliore l'étanchéité dans cette zone. Dans ce cas, la première partie comporte de préférence un redan qui coopère avec un ressaut complémentaire formé sur la face adjacente de la paroi axiale, ce qui assure l'arrêt en translation axiale du joint par rapport au carter interne.

[0016] Pour assurer l'étanchéité dans toutes les conditions de vol, la deuxième partie est mise en compression axiale lors du montage du carter interne sur le carter externe.

[0017] Afin d'améliorer le coulissement radial du joint sur la surface radiale du carter externe, la portion d'extrémité de la deuxième partie est recourbée afin que sa face axiale externe soit en appui sur ladite surface radiale.

[0018] Le joint selon l'invention est configuré de telle manière que la différence de pression entre les régions à haute et basse pressions sollicite positivement la portion d'extrémité de la deuxième partie vers la surface radiale. Autrement dit, si la région à haute pression est radialement à l'extérieur du carter interne, la pointe de la section en V est disposée radialement sous la paroi axiale, et inversement si la région à basse pression est radialement à l'extérieur du carter interne, la deuxième partie est disposée au-dessus de la paroi axiale du carter interne.

[0019] Le joint selon l'invention est particulièrement adapté pour un compresseur haute pression d'un turboréacteur, mais il peut également être utilisé pour d'autres pièces d'une turbomachine, notamment au niveau des carters de redresseurs ou des stators de turbine.

[0020] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 montre, en coupe, un compresseur haute pression d'un turboréacteur comportant un joint d'étanchéité, selon l'état de la technique, entre un carter interne et un carter externe ;

la figure 2 montre, en coupe, le même compresseur équipé d'un joint selon une premier mode de réalisation de l'invention ; et

la figure 3 montre un deuxième mode de réalisation de l'invention.

[0021] La figure 1 montre un stator 1 d'un compresseur haute pression, selon l'état de la technique, qui équipe un turboréacteur. Ce stator 1 comporte un carter intérieur 2 et un carter extérieur 3 reliés en amont par boulonnage de brides 4 et 5 prévues respectivement sur une paroi annulaire 6 du carter extérieur 3 et sur une paroi annulaire sensiblement axiale 7 du carter intérieur 2. La paroi annulaire 7 se prolonge vers l'aval et son extrémité 8 sensiblement cylindrique se raccorde, en regard d'une surface radiale 9 solidaire du carter extérieur 2, à une deuxième paroi radiale 10 raccordée elle-même à une paroi axiale complémentaire 11 qui s'étend jusqu'à la surface radiale 9 du carter extérieur 2. Dans la rainure 12, délimitée par la surface radiale 9, la paroi axiale 11 et la deuxième paroi radiale 10, loge un joint 13 de type Oméga qui est en appui sur la surface radiale 9 du carter extérieur 3 et sur la face en vis-à-vis de la paroi radiale 10 du carter intérieur 2. Une deuxième paroi axiale 16 est prévue sur le carter extérieur 3 au-dessus de la rainure 12.

[0022] Le joint Oméga 13 est destiné à assurer l'étanchéité entre l'enceinte 14 située sous le carter extérieur 3, où règne une pression P1, et l'enceinte 15 située sous l'extrémité 8 de la paroi axiale 7 où règne une pression P2 inférieure à la pression P1.

[0023] Les figures 2 et 3 montrent les modifications apportées à l'extrémité 8 de la paroi axiale 7 et le nouveau joint 20 proposé par l'invention pour assurer l'étanchéité entre l'extrémité 8 de la paroi axiale 7 du carter intérieur 2 et la surface radiale 9 du carter extérieur 3.

[0024] Selon l'invention, la paroi radiale 10 et la paroi axiale complémentaire 11, n'ont plus d'utilité et peuvent être totalement éliminées, ce qui facilite l'usinage de l'extrémité aval 8 de la paroi annulaire 7. La deuxième paroi axiale 16 du carter externe 3 peut également être supprimée.

[0025] Le joint 20 se présente sous la forme d'une virole annulaire en tôle comportant deux parties 21 et 22 ayant des fonctions distinctes. La première partie 21 est sensiblement cylindrique et son diamètre est égal au diamètre extérieur de la portion d'extrémité 8 de la paroi annulaire 7 du carter intérieur 2, afin qu'elle puisse être emmanchée sur cette portion d'extrémité 8. La deuxième partie 22, qui constitue le joint d'étanchéité proprement dit, est disposée dans l'espace 23 séparant la face d'extrémité 8a de la paroi axiale 7 et la surface radiale 9, et présente en coupe, selon un plan radial contenant l'axe du turboréacteur, une section en V ou en U évasé

[0026] Cette deuxième partie 22 comporte ainsi deux portions tronconiques 24 et 25 raccordées entre elles par une portion 26 en forme de gouttière annulaire. La portion tronconique médiane 24 est raccordée à la première partie 21 par une portion annulaire 27 dont la face convexe 27a est située du côté de l'enceinte 14 dans laquelle règne un fluide à la pression P1 et à la température t1, la pression P1 étant supérieure à la pression P2 régnant dans l'enceinte 15 située sous la paroi axiale 7 du carter intérieur 2.

[0027] L'autre portion tronconique 25 est légèrement recourbée près de son extrémité libre, afin que sa portion d'extrémité 25a présente sur sa face opposée à la première partie 21 une surface annulaire convexe en appui coulissant sur la surface radiale 9 du carter extérieur 3.

[0028] Le volume annulaire situé entre les deux portions tronconiques 24 et 25 se trouve ainsi dans l'enceinte 14 à haute pression, et les différences de pression sur les deux faces de la deuxième partie 22 tendent à écarter la portion tronconique 24 de la portion tronconique 25, ce qui assure l'étanchéité entre les deux enceintes 14 et 15, lors des déplacements axiaux ou radiaux relatifs entre l'extrémité 8 de la paroi axiale 7 et la surface radiale 9 de l'enceinte extérieure.

[0029] Dans le mode de réalisation montré sur la figure 2, la première partie 21 est fixée par brasage sur la face externe de la paroi axiale 7. La première partie 21 présente avantageusement un redan 30 qui coopère avec un ressaut complémentaire 31 formé sur la face externe de la paroi axiale 7, pour assurer un arrêt en translation du joint 20.

[0030] Dans le mode de réalisation montré sur la figure 3, la première partie 21 du joint 20 et l'extrémité 8 de la paroi axiale 7 du carter intérieur 2 présentent en correspondance des orifices pour la fixation du joint 20 sur l'extrémité 8 de la paroi axiale par boulonnage ou par rivetage.

[0031] Quel que soit le mode de réalisation de la fixation du joint 20 sur le carter intérieur 2, la deuxième partie 22 est mise en compression lors du montage du carter intérieur 2 sur le carter extérieur 3. La géométrie de cette deuxième partie 22 est calculée de manière à assurer une souplesse importante. La section du joint 20 est suffisamment grande pour permettre d'absorber des déplacements relatifs plus importants que ceux autorisés par le joint Oméga actuel et permet l'utilisation d'une tôle d'épaisseur plus importante, ce qui diminue l'impact à l'usure au droit des faces en contact et rend le joint 20 plus tolérant aux vibrations.

Revendications

1. Section de turboréacteur comportant un carter externe (3) ayant une surface (9) qui s'étend radialement vers l'intérieur, un carter interne (2) ayant une paroi (8) sensiblement axiale qui s'étend vers ladite surface (9), et un joint d'étanchéité (20) disposé entre ladite paroi (8) et ladite surface (9) et destiné à assurer l'étanchéité entre les régions (14, 15) à haute et basse pressions situés de part et d'autre dudit joint (20),
   caractérisée par le fait que ledit joint est réalisé sous la forme d'une virole annulaire en tôle présentant une première partie (21) sensiblement cylindrique fixée de manière étanche sur une face de la paroi axiale (8) et une deuxième partie (22) prolongeant ladite première partie et située dans l'espace (23) séparant ladite paroi axiale (8) de ladite surface radiale (9), ladite deuxième partie présentant, en coupe selon un plan radial contenant l'axe du turboréacteur, un profil en V et présentant une portion d'extrémité (25a) en appui coulissant et étanche contre ladite surface radiale (9).

2. Section de turboréacteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la première partie (21) est fixée sur la paroi axiale (8) par rivetage ou boulonnage.

3. Section de turboréacteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la première partie (21) est fixée sur la paroi axiale (8) par brasage.

4. Section de turboréacteur selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la première partie (21) comporte un redan (30) coopérant avec un ressaut (31) complémentaire formé sur la face adjacente de la paroi axiale (8).

5. Section de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la deuxième partie (22) est mise en compression axiale lors du montage du carter interne (2) sur le carter externe (3).

6. Section de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que la portion d'extrémité (25a) de la deuxième partie (22) est recourbée afin que sa face axialement externe soit en appui sur la surface radiale (9).

7. Section de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le joint (20) est configuré de telle manière que la différence de pression entre les régions (14, 15) à haute et basse pressions sollicite la portion d'extrémité (25a) de la deuxième partie (22) vers la surface radiale (9).

8. Section de turboréacteur selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la première partie (21) est appliquée sur la face de la paroi axiale (8) soumise à la haute pression.

9. Section de turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que ladite section est un compresseur à haute pression.

Dessins