Brevet FR2374546A1 — publié le 19780713

La présente invention, due à la collaboration de Monsieur Henri PELTIER se rapporte à une construction de paliers à hautes performances, notamment-utilisés pour ltentrainement à treks grandes vitesses de rotation d'ensembles de dimensions importantes tels que les rotors de centrifugeuses ou des broches de machine-outlis à hautes vitesses telles que des rectifieuses. Dans l'ordre des vitesses de rotation croissantes, on rencontre après les paliers à coussinets frottants et à corps roulants, les paliers hydrostatiques et hydrodynamiques, puis les paliers aérostatiques ou aérodynamiques dans lesquels le fluide support gazeux permet les plus grandes vitesses0 Toutefois, ces vitesses connaissent également des limites par suite de .12 échauffement du au laminage gazeux. Cet échauffement entrasse des variations dimensionnelles des organes mécaniques de support du film gazeux, ce qui affecte la rigidité axiale et radiale du palier et la puissance absorbes. De plus, cette rigidité axiale reste assez faible ainsi que la rapacité de charge de tels paliers, qui marquent donc actuellement les limites de la technique en matière de paliers pour les grandes vitesses et les fortes chargeuse L'objet de la présente invention est un palier, dit à anneau liquide, permettant de faire reculer de telles limites a il se caractérise, de façongéne'rale, par au moins un disque formant une partie centrale d'appui fixe, dont la bordure externe prend appui sur au moins un anneau liquide tournant, centré par force centrifuge sur la partie tournante du palier Des moyens de démarrage seront prévus pour lancer la partie tournante et assurer la mise en place et le maintien des anneaux liquides, des paliers relais classiques fixes ou escamotables, par exemple à gaz, assurant le centrage de la partie tournante pendant cette période de lancement0 Dès que la vitesse de lancement est suffisante, le liquide est introduit dans les réceptacles de la partie tournante où il se forme en des anneaux venant affleurer les bordures externes des disques fixes correspondants. L'accroissement de la vitesse ^densifie22 progressivement les anneaux liquides qui se comportent -alors comme des bagues de paliers solides parfaitement centrées par la force centrifuge et sur lesquelles prennent appui sans jeu Les bordures des disques fixesO Dès que la vitesse de rotation9 et donc la "densification1, des anneaux liquides, sont suffisantes, 1es paliers relais de démarrage sont escamotés, par exemple en dégageant par une translation axiale leur stator central fixe de leur rotor solidaire-de la partie tournante, qui peut alors augmenter sa vitesse de rotation en tournant sur le seul appui de ses anneaux liquides "densifiés" sur leurs disques fixés.Dans le cas ou les paliers relais sont fixes l'arrivée de gaz pratiquée dans le stator fixe est coupée et la partie tournante prend appui sur les anneaux "densifiés". La rigidité axiale et la capacité de charge augmenteront avec la "densification" et donc avec la vitesse de rotation. Les frottements, qui se situent à la surface de contact entre la bordure externe des disques et l'anneau liquide, surface qui peut être très réduite, et qui sont de la nature de ceux d'une lame de patin à glace sur une surface glacée, sont très faibles et permettent d'absorber de très grandes vitesses de rotation. Au-delà d'une certaine vitesse, qui dépendra des caractdristiques physiques de liquide des anneaux, le frottement provoquera un échauffement et une vaporisation du liquide dans l'interface de contacte Ce contact changera donc de nature et sera celui d'une caléfaction, 1'anneau liquide tournant alors sur un film de vapeur formé spontanément à la surface de contact. Les pertes de liquide par cette vaporisation de l'anneau pourront Outre compensées par une alimentation continue en liquide, par exemple à partir de conduits dans les disques fixés débouchant au niveau des anneaux liquides. L'usure des paliers étant ainsi compensée de façon continue, ceux-ci peuvent alors fonctionner de façon illimitée. La procédure d'arrEt sera l'inverse de celle de démarrage, les paliers relais reprenant la charge de la partie tournante dès que son ralentissement est suffisant. Le liquide des anneaux peut alors s'écouler par une purge dès que la force centrifuge devient insuffisante à leur maintien. Un exemple de réalisation de paliers selon l'invention sera décrit ci-déssus, pour une application à des centrifugeuses de séparation par voie gazeuse, et en référence aux dessins annexés où - la figure 1 représente une vue schématique, en coupe, de l'en- semble du stator central d'appui et du rotor périphérique, - la figure 2 représente1 en coupe, axiale, à plus grande échelle, un élément de palier d'extrémité. - les figures 3 et 4 représentent des variantes de réalisation de paliers selon l'invention0 Sur la figure i un arbre fixe i pouvant être creux et recez voir des conduits d'alimentation et d'évacuation 2 des gaz-d centri- fuger, dont la circulation est représentée schèmatiquement par la ligne fléchée F, est équipé d'une série de disques 3 centrés sur le mme axe et calés entre des entretoises 4. Le rotor 5, lui même solidaire de l'élément de centrifugeuse de plus grand diamètre et non représent4, dans lequel passe le. parcours des gaz F, comporte une série de joues latérales circulaires 6 calées deux à deux par des entretoises tubulaires 7 de façon à former vis-à-vis de chaque disque 3 unnéceptacle circulaire recevant l'anneau liquide 8. Des paliers-relais de démarrage, tels que représenté en 9 en position escamotée, où tout contact d'appui entre partie fixe et tournante est supprimé, peuvent être disposés entre les paliers à anneau liquide, en nombre approprié. Sur la figure 2, qui représente à une échelle plus grande -une zône d'extrémité du rotor de la figure 1, on retrouve les éléments de palier dont les enneaux liquides 8, formés entre des joues 6 et des entretoises 7, prennent appui sur les conteurs, exterdes 10 des disque 5 de préférence formés en une arête d'angle légèrement arrondi sur laquelle prend appui la surface de l'anneau liquide0 Afin de garantir l'étanchéité des paliers au-gaz à centrifuger arrivant par le conduit 2 suivant les flènches F, et dans une solution préférée, former également des paliers aérostatiques de démarrage, des conduits lissent aménagés dans l'arbre 1 et débouchent vis-à-vis des jones 6 dont la surface périphérique interne forme un patin sur lesquels ils débitent un gaz en surpression empêchant toute fuite du gaz à traiter, à titre de sécurité supplémentaire au palier naturellement étanche sur ses surfaces de contact entre les disques et leurs anneaux liquides. Des conduits 12-débouchent à la périphérie des disques 3 et alimentent en liquide l'anneau liquide 8 du palier, soit pour sa formation initiale, lorsque la vitesse de rotation de démarrage est suffisante, soit pour compenser ses pertes-par évaporation. On obtiendra simplement dette régulation du niveau de l'anneau liquide d'une façon automatique en utilisant la disposition préférée de a figure 3, où la périphérie du disque 3 comporte une gorge circulaire 13 dont les rebords externes forment les arêtes de portée, les conduits 12 alimentant la gorge 13 en liquide par gravité sous faible pression0 La surpression de vapeur formée dans la gorge 13 équilibre ra cette pression d'écoulementt sauf lorsqu'une perte de vapeur par échauffement ou caléfaction réduira celle-ci et permettra l'écoulement du liquide qui rétablira le niveau automatique. A l'arrOt, le liquide des paliers s'écoule naturellement vers un circuit de purge. L'absence de Jeu et le parfait centrage permettent de réduire les entrefers des machines électriques d'entratnement. Par construction, ces paliers sont naturellement étanches. La surpression gazeuse par les conduits Il décrite est là seulement à titre de sécurité supplémentaire, compte-tenu de la nature de l'application décrite et peuvent servir aussi de paliers-relais aérostatiques du type précité, combinant ainsi deux fonctions. Dans les paliers du type à axe vertical, comme représenté fig. 3, un rebord vertical i4 prolongeant la Joue 6 inférieure permettra de conserver sur place l'anneau liquide 8 dont la mise en place se fera alors aussitbt que la vitesse suffisante sera atteinte, contre la paroi verticale 7. Les conduits 12 ne serviront plus alors qutau renouvellement des pertes par évaporation0 Dans la construction des disques 3 à gorge périphérique 13 et alimentation par conduits radiaux 12 on formera avantageusement les disques de deux demi-disques accolés 3a et 3b (fig. 3) suivant un plan de Joint 15 débouchant au fond de la gorge 13 et sur lequel sont formés les conduits d'alimentation 12. Les paliers selon l'invention sont sans entretien et sans usure et de construction très économique, en l'absence de tout usinage précis. Ils s'adaptent tout naturellement à de nombreuses applications, leur capacité de charge étant réglée par la poussée dtsrchim8de de l'anneau liquide sur le disque. Le niveau du liquide se règle automatiquement en fonction de la vitesse de rotation. En effet, la pression du liquide du circuit d'alimention équilibre la poussée d'Archimède de l'anneau liquide sur le disque, l'augmentation de vitesse de rotation, et donc de densité du liquide provoquant son reflux dans le-cireuit d'alimentation, le profil immergé des disques correspondant à la capacité de charge du palier0 La "densification" du liquide due à la force centrifuge rend alors le palier auto-centrant et auto-stabilisé0 BEVENDICATIONS I 0-Palier dit à anneau liquide comportant une partie centrale fixe autour de laquelle prend appui et tourne une partie tournante caractérisé en ce que la partie centrale (1) comporte au moins un disque (3) sur la bordure externe (io) duquel prend appui au moins un anneau liquide tournant (8), centré, contenu et Zdensi- fié" par la force centrifuge dans au moins un réceptacle de la partie tournante (5), des moyens de démarrage assurant le relai par des paliers (9) de type connu à action escamotable lors du lancement de mise en place et de maintien des anneaux liquides. 2 -Palier selon la revendication 1 caractérisé en ce que une alimentation (12) en fluide des anneaux liquides est assurée à travers la partie centrale (1) et les disques (3). 30-Pallar selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'alimentation des anneaux liquides en fluide comporte une régulation automatique de niveau fonctionnant par gravité et équilibre de pression. 40-Palier selon l'une quelconque des revendications précé dents, caractérisé en ce que la bordure externe (10) des disques (3) comporte une gorge circulaire (13) dont les bordures forment les surfaces de portée (10) sur l'anneau liquide (8). 5 -Palier selon la revendication 4 caractérisé en ce que les anneaux (3) sont construits en deux parties (3a, 3b) accolées suivant un plan de joint débouchant au fond de la gorge (13) et sur lequel sont aménagés les canaux d'alimentation (t2) de l'anneau liquide (8). 60-Palier selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, l'axe de rotation étant vertical, l'anneau liquide est contenu au repos dans un réceptacle annulaire formé par un rebord vertical circulaire 14 prolongeant la paroi horizontale inférieure (6) du réceptacle de fonctionnement de l'anneau liquide (8). 70-Palier selon la revendication 1 caractérisé en c.e que les paliers de reliai de démarrage et lancement (9) comportent une partie tournante solidaire den.l'ensemble tournant (5) et une partie fixe solidaire de la partie fixe (1) et escamotable de son contact avec la partie tournante par une translation axiale sur la partie fixe (1)o 80-Palier selon l'une quelconque des revendications I 1,4 et 5 caractérisé en ce que les surfaces d'appui des disques (3) sur les anneaux liquides (8) sont des arêtes circulaires (10) à angle arrondi. 9 -Palier selon l'une quelconque des revendications -précéden- tes caractérisé en ce que la pression du liquide du circuit d'ali- mentation (12) équilibre la, poussée d'Archimède de l'anneau liquide (8) sur le disque (3) l'augmentation de vitesse de rotation, et donc de "densité" du liquide provoquant son reflux dans le circuit d'alimentation (12), le profil immergé des disques (3) correspondant à la capacité de charge du palier. 10 -Palier selon la revendication 1 caractérisé en ce que les paliers de relai de démarrage et lancement (9) sont constitués par des paliers aérostatiques dont les patine tournants sont constitués par les bordures périphériques internes des joues latérales (6) du réceptacle de l'anneau liquide, tournants sur un flux gaseaux alimenté par dss conduits (11), débouchant sur ladite surface des joues la- térales (6).