Brevet FR2004972A1 — publié le 19691205

La pré-sente invention a trait d'une façon générale à un palier, et plus précisément à un palier auto-orientable d'un type à patins. Dans le cas où un palier à patins pivotants et de dia-5 mètre relativement srsnd est astreint à travailler dans un large intervalle de températures, un désaccord entre les coefficients de dilatation des matériaux constitutifs du tourillon et du palier provoque des variations dans le jeu du palier. Un jeu anomal peut aboutir à un mauvais fonctionnement, voire même à une défaillance 10 du palier- Pour certains emplois, tels qu'en lubrification paf un métal liquide, ou par l'eau, le choix desdits matériaux guidé par des considérations de résistances à la corrosion et à 1'usure ne permet pas une bonne adaptation des coefficients de dilatation, la plupart des matériaux. ajrant de bonnes caractéristiques de 15 résistances à la corrosion et à l'usure, par exemple graphite, carbures et céramiques ont de faibles coefficients de dilatation. La plupart des matériaux de construction, les meilleurs et les moins coûteux, aptes à la fabrication de coussinets et d'arbres, par exemple l'acier inoxydable, ont des coefficients de dilata-20 tion relativement élevés. La présente invention a pour objet de présenter un palier radial capable de travailler à jeu radial sensiblement constant entre un tourillon rotatif et un ensemble immobile de segments ou patins, dans tout un large intervalle de températures. 25 Suivant une caractéristique essentielle de l'invention, un anneau de pivotement en matériau à faible dilatation est monté sur une cage élastique dans un coussinet ; l'anneau ceinture une pluralité de segments ou patins qui entourent un manchon touril-lonnant mont-ée par l'intermédiaire d'une cage élastique sur un 30 arbre. L'anneau et les patins sont de formes permettant aux patins de s'incliner par rapport à l'arbre vertical, dans ces conditions les patins sont supportés verticalement et radialement dans le sens de l'intérieur vers l'extérieur, et les déplacements radiaux des pa.tins, du fait de la dilatation, sont contrôlés par la dila-35 tation de l'anneau de pivotement plus que par celle du coussinet, comme c'était le cas dans les paliers à patins pivotants de l'art antérieur- BAD ORIGNAL 69 09373 2004972 l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de plusieurs exemples de réalisation, ainsi qu'à l'examen des dessins annexés correspondants, dans lesquels : 5 - la fig. 1 est une vue en coupe axiale d'un palier à patins pivotants de l'art antérieur ; - la fig. 2 est une vue en coupe transversale horizontale d'un palier à patins pivotants o-t à jeu contrôlé suivant l'invention, certains des jeux entre éléments du palier ayant 10 été exagérés ; - la fig« 3 est une vue en coupe axiale verticale du palier de la fig. 2 ; - la fig. 4 est une vue en demi-coupe axiale verticale d'une forme industrielle du palier des fig. 2 et 3 ; 15 - la xig. 5 est une vue en demi-coupe axiale verticale d'un palier hydrostatique auto-orientable suivant l'invention. Dans le palier classique représenté à la fig. 1, un manchon tourillonaant 11 est porté par une cage élastique 12 qui est montée sur un a.rbre rotatif 13° Une pluralité de segments ou 20 patins 14 entoure le manchon 11, en laissant un jeu 15 entre manchon et patins. Sur la figure, la valeur du jeu 15 a été fortement exagérée. Chaque p:.tin 14 est monté pivotant sur un axe 16 fixé dans un coussinet 17 de forme générale cylindrique, le coussinet 17 peut être monté sur une structure-support convenable (non repré-25 sentée) et/insc-rant des boulons dans des trous 18 d'une bride 19 faisant saillie à la base du coussinet 17- Dans certains paliers de l'art antérieur, le coussinet 17 était constitué d'acier inoxydable ayant un coefficient de dilata- —6 tion de 18,54 10~ cm/cm/°G. Oes patins en carbure de titane 30 ayant un coefficient de dilatation de 8,1 x 10"" cm/cm/°G, le manchon Î1 d'un alliage dit "Stellite" ayant un coefficient de —6 dilatation de 12,6 x 10" cm/cm/°G, l'arbre 13 est en un acier inoxydable et la cage 12 en alliage dit "Inconel". Hais comme le manchon 11 est supporté par des lames flexibles dans" la cage >5 élastique 12 la dilatation de l'arbre et de la cage n'affectent pas le jeu du palier, les essais et l'expérience en fonctionnement réel dans un fluide à faible viscosité, tel que du sodium, ont montré qu'une association stellite—carbure comme matériaux OB\C^AL 69 09373 3 2004972 constitutifs du palier procurait d'excellentes résistances à la corrosion et à l'usure à des températures allant jusqu'à 540°G. Mais si l'on porte un palier classique à patins pivotants, tel qi e celui représenté à la fig- 1 et constitué desmatériaux définis 5 ci-dessus, de la température de 40°0 à celle de 540°C, le diamètre intérieur du coussinet augmente de 4,47 mm alors que le diamètre extérieur du tourillon n'augmente que de 2,54 mmj L'augmentation d'épaisseur des patins en carbure n'est que d'environ 0,15 mm. La modification du jeu radial est donc de 0,81 mm* le tout d'après le 10 calcul suivant : ^coussinet ~ ^tourillon A, _ AO = ~ patins 2 4,47 - 2,54 15 : - 0,15 = 0,81 mm 2 car ï Ad coussinet = Coussinet * = «2,6 x 18,54 x 106 x = 500 = 4,47 mm 20 "tourillon = ^tourillon * = 406,4 x 12,6 x 10~6 x 500= = 2,54 mm AV«ns " Vtins * "M = 38,1 x 8,1 x 10"6 x 500 = 0,15 ^ Le jeu normal avec lequel le palier décrit a été calculé est de l'ordre de 0,25 à 0,38 mm. Un accroissement de ce jeu de 0,81 mm entraînerait un mauvais fonctionnement du palier et probablement sa défaillance-30 Une première solution du problème créé par cette augmen tation excessive du jeu ferait de faire le coussinet en un matériau à plus faible coefficient de dilatation. Mais le coussinet à faible dilatation doit être assemblé à d'autres éléments de structure, par exemple à une pompe permettant de manutentionner 35 le liquide à température élevée, et un désaccord de dilatation va se produire aux joints d'assemblage, à moins que la pompe tout entière eUe-même soit faite en matériau à faible dilatation. BAD original 69 Q9373 4 2004972 Pour des raisons économiques, il est cependant désirable d'utiliser l'acier inoxydable pour la plupart des éléments entrant dans laT structure de la pompe, y compris le coussinet de palier. Les techniques de l'art antérieur permettant de maintenir un jeu 5 convenable de palier sont de coûts prohibitifs dans le- cas de paliers de grande dimension. ■ Le palier représenté aux fig. 2 et 3 correspond à un moyen pratique de maintenir un jeu pratiquement constant dans le palier, pour un large intervalle de variation de la température 10 de fonctionnement. Dans le palier des fig. 2 et 3, un anneau de pivotement 21 en matériau à faible dilatation (le même que le matériau constitutif du tourillon, dans le présent exemple,) est monté de façon souple sur une cage élastique 22 dans le coussinet 17 du palier. Oet anneau ceinture les zones médianes d'un certain 15 nombre de segments ou patins 14 qui entourent eux-mêmes le manchon 11. L'anneau 21 est intérieurement à demi-méridienne arquée convexe, comme indiqué en 23 sur la fig. 3» de façon à épouser un creux de même forme, incliqué en 24 sur la même figure, dans la face arrière de la zone médiane de chaque patin 14. On appelle 20 face arrière de chaque patin la face opposée à celle tournée vers le manchon 11. Les surfaces arquées coopérantes 23, 24 permettent aux patins 14 de s'incliner verticalement chacun de façon que sa génératrice intérieure médiane reste dans un plan passant par l'axe géométrique de l'arbre 13» Dans un plan médian perpendi-25 culaire à l'arbre, le diamètre intérieur de l'anneau 21 est réalisé légèrement plus grand que le diamètre extérieur des patins 4. Ceci permet aux patins de basculer par rapport à l'anneau'vers un plan perpendiculaire à l'arbre. Les patins sont ainsi supportés verticalement et radialement (dans le sens allant de l'intérieur 30 à l'eitérieur) par l'anneau de pivotement 21 et le déplacement radial d'un patin, dû à'la dilatation, est contrôlé par la dilatation de l'anneau de pivotement plus que par celle du coussinet-Gomme l'anneau 21 est monté de façon souple dSns la cage élastique 22 du coussinet 17, les dilatations du coussinet et de la 35 cage • élasticité n' affectent- pas 1* anneau. 21. , La variation de .1 eu radis! le nêne diamètre de ';oiirillon et le' nêrie intervell-? de température eue dans leocas ci—dessus.- Bad original 69 09373 5 2004972 nouveau palier que de 0,10 mm, comme le montre le calcul suivant : Ad — Ad, . -, -t anneau tourillon AO = - Ah , . ^ 2 patxns 3,04 - 2,54 — 0,15 =0,10 mm. 2 car : Ad = d x ocA6 = 482,6 x 12,6 x 10~^ x 500 = 10 anneau anneau ' * = 3»04 mm Mjournal = Sourillon x aAe = ^6'4 x12'6 3 10-6 * 500 = = 2,54 mm 15 Ahpatins " V-tins * °46 = 38-' x 8'1 * 10"6 * 500 = -;= 0,15 mm. Une variation de j eu de 0,10 mm sur un-palier de 40 cm de diamètre est acceptable- Une forme industrielle d'un palier suivant l'invention 20 est représentée à la fig. 4- Dans cette structure, l'anneau de pivotement 21 et le manchon tourillonnant 11 sont faits en "Stel-lite*, les patins 14 en carbure de titane, le coussinet 17 en acier inoxydable et les cages élastiques 12, 22 en "Inconel"* les éléments de ce palier sont disposés de manière semblable à 25 celle des fig. 2 et 3- l'entraînement en rotation des patins 14 est empêché par des clavettes 25, 26 disposées en bas et en haut de chaque patin. Gomme le montre la fig. 4, la clavette 25 est fixée dans leur base du coussinet 17 et s'.engage dans un évide-ment 27 de l'extrémité inférieure de patin 14. la clavette 26 est 30 fixée dans l'extrémité supérieure du patin 14 et s'engage dans un évidement 28 d'un anneau 29 monté au sommet du coussinet 17» Un jeu suffisant est donné aux clavettes dans les évidements pour ".permettre des déplacements d'auto-orientation des patins 14, qui sont supportés par l'anneau de pivotement 21 à la manière 35 décrite ci-^dessus. 0*0 ONSBlAL 69 09373 6 2004972 les cages élastiques 12, 22 peuvent être construites d'une manière bien connue de l'homme de.l'art, la cage élastique 12 est constituée d'une pluralité de lames 31, écartées l'une de 1'autres faisant corps avec (ou fixés à) des anneaux 32, 33, 5 écartés l'une de l'autre et fixés à l'arbre 13- Chaque lame 31 présente une surépaisseur qui est en contact avec le manchon 11. l'anneau 33 présente une bride extérieure 34 qui. supporte le manchon tourillonnant 11. Une bague de retenue 35 est vissée' sur l'anneau 32 pour empêcher tout déplacement vers le haut du man-10 chon 11„ la cage élastique 22 qui supporte l'anneau de pivotement 21, est pareillement constituée par une pluralité de lames 36, écartées l'une de l'autre, faisant corps avec (ou fixées à)"des anneaux 373 38 écartés l'un de l'autre et montés dans le coussi-15 net 17» chaque lame 36 est légèrement renfoncée en 39 pour recevoir l'anneau de pivotement 21. la combinaison de matériaux constitutifs et le mode dfassemblage du palier des fig. 2 et 3» redonné avec plus de détails à la fig. 4? ont été choisis pour application au cas 20 particulier d'un palier de 40 cm travaillant dans du sodium à 540°0. Dans le cas d'autres diamètres, fluides ou températures, on pourra utiliser des matériaux différents et de géométrie convenableo Mais on conservera le principe d'emploi d'un anneau de pivotement à dilatation contrôlée et monté de façon souple-25 En utilisant un anneau de pivotement fait d'un matériau de dilatation plus faible que celle du tourillon, le jeu du palier va en diminuant au fur et à mesure que la température s'élève. Ceci compense la- diminution de viscosité, à température croissante, du fluide lubrifiant. 30 la caractéristique de 33U contrôlé du palier à patins pivotants décrit ci-dessus peut également être appliquée à un palier hydrostatique du type décrit dans la demande de brevet déposée le même jour pour : "Palier hydrostatique auto-orientable" au nom de la même société demanderesse. 35 Un palier hydrostatique orientable à jeu contrôlé est représenté à la .fig. 5. Ce palier comprend un coussinet 17', une cage élastique 22 montée dans le-palier 17', un anneau à roulement 21' supporté par la cage 22, une douille segmentée constituée 69 09373 7 2004972 par une pluralité de segments ou patins 14*, au nombre de trois dans l'exemple représenté, entourant un manchon tourillonnant 11 lui-même supporté par une cage élastique 12, fixée sur un arbre 13. 5 la cage élastique 22 donne une certaine souplesse en tre le coussinet 17' et l'anneau de roulement 21', de façon à compenser la différence de dilatation entre le coussinet et l'anneau. L'anneau 21' forme support radial des segments 14'. l'anneau 21 ' est réalisé de façon à présenter intérieurement 10 une demi-méridienne de forme hyperbolique en 23', et qui coopère avec la face extérieure 24* des segments 14' de forme générale cylindrique , pour permettre l'orientation du palier par tin déplacement de roulement àes segments sur l'anneau. On appelle face extérieure des segments celle opposée à la face 15 dite intérieure qui est tournée vers le manchon 11. La dilatation de l'anneau de roulement est adaptée à celle du manchon tourillonnant pour que le jeu du palier reste sensiblement constant. Gomme on l'a expliqué ci-dessus, ceci est réalisé en faisant le manchon et 1 ' anneau en même matériau, par exemple 20 en "Stellite". Chacun des segments 14' a une poche supérieure 41 et une poche inférieure 42 ménagées à sa face interne pour assurer le portage de l'arbre et l'orientation du segment par une action hydrostatique. Un fluide sous pression est amené aux poches 41, 25 42 à partir d'une source de fluide pressurisé par des colonnettes percées 43, 44, respectivement. Il y a deux telles colonnettes pour chaque segment 14* • Le diamètre intérieur relativement faible de ces colon-nettes restreint l'écoulement de fluide de manière à assurer un 30 effet de compensation ou de redressement du palier, à la manière bien connue en technique des paliers hydrostatiques. Les colon-nettes 43» 44 s'engagent dans le coussinet 17' et dans l'anneau 21% ainsi que pratiquement dans toute l'épaisseur de chaque patin 14*. Oes colonnettes empêchent donc l'entraînement en 35 rotation des segments et supportent leur poids. On laisse un jeu suffisant entre les colonnettes et les segmentsP pour laisser au palier la possibilité"de s'orienter. 69 09373 s 2.004972 Une chambre bridée d'entrée 45 maintient les colonnettes 43, 44 en place et permet la connexion par soudage d'un tuyau 46 d'amenée de fluide isous pression. La chambre 45 est fixée au coussinet 17' par des boulons 47. Les colonnettes 43» 44 s'en-5 gagent dans des évidements du coussinet 17'. Une rondelle Belle-ville 48 est interposée entre une bride de tête 49 de chaque co-lonnette* et le fond de l'évidement correspondant du coussinet pour appliquer fortement la tête de chaque colorinette contre la face intérieure de la chambre d'entrée 45 et empêche ainsi les 10 fentes de fluide par ce joint* De la description qui précède il résulte que l'invention apporte effectivement un palier radial auto-orientable qui fonctionne à jeu pratiquement constant dans un large intervalle de température. La caractéristique de jeu contrôlé est appliea-15 ble à un palier hydrostatique aussi bien qu'à un palier qui ne l'est pas» Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples- 69 09373 9 2004972 BBmmiGA.TI0IT3 1 « — Palier pour arbre rotatif et comprensj.it un coussinet, une pluralité de patins supportent l'arbre et un élément annulaire entourant et supportent lesdits patins en positions cos.2d.3les à l'arbre, caractérisé par le fait qu'il comprend en 5 outre une cage tubulaire supportée à ses extrémités en direction axiale par ledit coussinet et ayant uns sone médiane élastique supportant l'élément annulaire. 2« - Palier conforme à 1s. revendication 1, caractérisé par le fait qu'un manchon tourillonnant est élastiquement monté 10 sur l'arbre et disposé entre celui-ci et les patins. 3» - Palier confoi"me à la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément annulaire est en un matériau ayant un coefficient de dilatation inférieur ou égal à celui du matériau constitutif dudit manchon. 15 4. - Palier conforme aux revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que la face intérieure en direction radiale de l'élément annulaire est de demi-méridienne arquée convexe sur une partie médiane saillante radialement vers l'intérieur, de façon à faciliter une inclinaison limitée de l'arbre-20 5. - Palier conforme à une ou plusieurs des revendica tions 1 à 4, caractérisé par le fait que les faces des patins opposées à celles qui sont tournées vers le manchon sont de forme générale cylindrique et par- le fait que l'élément annulaire est, en regard, de demi-méridienne hyperbolique convexe. 25 6. - Palier conforme à une ou plusieurs des revendica tions 1 à 5, caractérisé par le fait que des colonnettes sont montées dans le coussinet et s'engagent dans des ouvertures pratiquées dans les patins, de façon à empêcher l'entraînement en rotation de ceux-ci. 30 7. - Palier conforme à la revendication 6, caractérisé par le fait que la face intérieure en direction radiale de chaque patin présente des poches, par le fait que les colonnettes débouchent dans lesdites poches et sont pourvues de perçages coaxiaux formant conduits qui permettent d'amener un fluide 35 pressurisé dans lesdites poches. 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