Brevet FR2426827A1 — publié le 19791221

La présente invention concerne un rotor conçu comme cylindre creux, particulièrement un tambour centrifuge, que l'on peut faire tourner à hautes vitesses de rotation. On utilise dans différents domaines techniques, par exemple, les turbines, les centrifugeuses pour séparation de fluides gazeux ou liquides, des rotors à haut rendement, que, selon les progrès de la technologie, on fait tourner à des vitesses toujours croissantes. Pour tourner la difficulté concernant les difficiles problèmes du comportement dynamique et ceux concernant la disposition des paliers, on étudie généralement ces rotors que dans le domaine sous-critique. Ceci signifie que la longueur du rotor est déterminée en fonction du diamètre et de la vitesse maxima autorisée pour les matériaux respectivement utilisés, de façon que la fréquence propre reste supérieure à la fréquence de rotation du rotor. Pour une nême vitesse de rotation du rotor, compte non tenu des constantes, fonctions du matériau, la longueur des rotors sous-critiques s'accrot relativement avec le diamètre du rotor. Pour obtenir un accroissement de vitesse pour les rotors de grande longueur, on a étuidé des rotors "multi-étagés" à rotation super-critique. Dans ce procédé, on partage, par ce que l'on appelle des p;ia tubulaires, les rotors en différentes sections qui sont reliées l'une à l'autre par les plis tubulaires avec une importante souplesse à la flexion. On peut ainsi maintenir faibles les efforts sur les paliers au moment du passage par les vitesses critiques. Cette technique ne peut toutefois Entre utilisée que pour les rotors à structure homogène, par exemple les rotors en acier. C'est ainsi que l'on ne peut pas utiliser les plastiques armés de fibres de carbone, qui présentent une longueur de rupture supérieure à celle de l'acier, en combinaison avec cette technique pour obtenir des rotors de grande longueur et susceptibles de rendement élevé. Par ailleurs, on connait des techniques de paliers qui permettent de faire tourner des rotors à vitesse supercritique. Mais, par suite des importantes déviations qui apparaissent lors de la traversée des fréquences propres critiques, cette technique nécessite des paliers spéciaux très coûteux et des mécanismes d'entraînement renforcés. Les limites de la vitesse de rotation pour une géométrie donnée du rotor sont définies par les matériaux. Pour la vitesse périphérique des corps creux formant rotor, c'est ce que l'on appelle la longueur de rupture qui est déterminante, c'est-à-dire le rapport de la résistance à la rupture à la densité. Les matériaux connus comme étant les plus favorables en fonction de ce rapport sont, entre autres, les complexes résine époxy-fibre de verre, l'acier à haute résistance, le complexe résine époxy-kevlar, le couple résine époxy-fibres de carbone. Les matériaux utilisés dans les complexes présentent, en particulier par suite de leur densité beaucoup plus faible, des longueurs de rupture sensiblement plus favorables que l'acier, que cependant, du fait que dans un rotor il y a nécessairement liaison avec une courbe de base, on ne peut pas pleinement utiliser. L'invention a pour objet de créer des rotors, du type mentionné au début, qui puissent être exploitée, mame pour de très grandes longueurs de rotor, à vitesse périphérique élevée. On atteint cet objet, selon l'invention, au moyen d'un rotor essentiellement constitué de bore comme élément de base. Le bore, élément non métallique, peut etre préparé à l'état amorphe et cristallin. A l'1tat cristallisé, c'est le corps le plus dur après le diamant > c'est pour cela que, durant les dernières années, il a pris une importance croissante dans l'industrie des abrasifs, AVY éTATS tJNlS, on est parvenu, dans les années 50, à obtenir cet élément dur, fragile et difficile à fondre, sous forme de fil présentant une haute résistance et une certaine élasticité. On vaporise du bore sur un fil fin de tungstène servant de substrat, d'une épaisseur de 10-12 microns, par séparation en phase gazeuse, jusqu'à obtenir une épaisseur de fil de 100-130 microns. Les fils obtenus selon ce procédé, présentent des valeurs de résistance étonnament élevées. Mais, on ne peut utiliser ce fil de bore à haute résistance, comme tous fils ou fibres, qu'en liaison avec une couche de base, ce qui fait qu'il y perd une grande partie de sa résistance spécifique d'origine. On connaît avant tout les fils de bore, reliés, pour donner des bandes à une matrice d'aluminium et qui ont trouvé emploi comme composants pour l'industrie aéronautique et spatiale. Dans l'exécution selon l'invention, le rotor, au contraire de la liaison connue fibre-matrice, est réalisé sous forme de composant entièrement en bore. Dans un rotor de ce type, on obtient, pour la forme constituant le corps creux, des valeurs de résistance comparables à celles des fils de bore, ce qui fait que l'on peut doubler les vitesses maxima autorisées par rapport à un rotor équivalent en acier. Selon l'invention, pour des motifs économiques, on peut réaliser en bore uniquement l'enveloppe qui en rotation, est soumise aux fortes charges. Mais, il est également possible de réaliser en bore la totalité du rotor y compris les fontis, les composants pouvant être distincts ou les fonds et l'enveloppe pouvant former un composant intégré. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est prévu, pour les paliers et l'entra$nement, que les fonds sont directement conçus avec des profils servant à la fixation des éléments qui constituent I'entrarnement et/ou les paliers. On peut ici prévoir, de façon avantageuse, des bagues d'appui en bore ou autre matériau contre les fonds ou autour de leurs épaulements annulaires, dont la forme est prévue pour la récepton et la fixation sur le f ond des éléments constituant l'entraSne- ment ou les paliers. Grâce à des inclinaisons disposées radialement et en symétrie de rotation, sur les surfaces des fonds, on peut équilibrer les tensions qui pourraient apparatre pendant la rotation. L'invention s'étend également à un procédé pour la fabrication d'un rotor en bore comme matériau de base, où l'on utilise un substrat dont le contour superficiel correspond à la forme du rotor, après quoi on dépose par séparation en phase gazeuse, du bore pur sur la face intérieure et/ou extérieure du substrat. On peut ici réaliser l'enveloppe du rotor et les fonds séparément ou d'une seule pièce On peut obtenir directement en forme les éléments profilés des fonds, par exemple pour la fixation des éléments constituant les paliers et systèmes de reprise. Le corps formant substrat qui représente un coffrage perdu, peut ensuite Outre détruit ;~ensuite, par suite de leur structure homogène, les rotors en bore peuvent être réalisés directement lors de la séparation en phase gazeuse, avec les plis de l'enveloppe donnant la souplesse de flexion et présentant alors les avantages obtenus pour les rotors en acier, de la conception multi-étagés, super-critique. Ltinvention sera mieux comprise à l'aide dela description ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - la figure l représente un rotor en bore avec substrat - la figure 2 représente le rotor monté sur ses paliers - la figure 3 est un détail du palier - la figure 4 représente un rotor avec ses éléments d'appui ; - la figure 5 représente un rotor multi-étagé. Le rotor en bore selon l'invention est obtenu par dépôt d'une couche de bore sur un substrat par un des procédés connus, par exemple séparation en phase gazeuse, comme on l'utiz rO - la fabrication des fibres de bore. Le substrat 8 sous forme de corps creux, en tunes. tène, céramique ou autre matériau, est revdtu de l'extérieur ou de l'intérieur d'une couche 9 de bore et ensuite entièrement ou partiellement enlevé, ce qui fait qu'il subsiste essentiellement la couche de bore soue forme d'un corps creux 9 constituant le rotor (figure 1). Dans le cas dans lequel on dépose une couche des deux ctoés, le substrat est conservé en quelque sorte comme couche de base. La fabrication des rotors selon l'invention peut s'adapter à de nombreuses exigences ou cas d'utilisation. La figure 2 représente un premier exemple d'utilisation dans lequel un rotor 10, uniquement en bore, réalisé comme composant intégré et conçu comme tambour centrifugeur, prend appui axialement et radialement dans un carter 11 par un palier inférieur 12 n aiguille sphérique et est guidé concentriquement dans un palier supérieur magnétique 13. L'entrainement se fait au moyen d'un jet gazeux 18 dirigé sur une roue de turbine 19. La figure 3 représente, en variante, un rotor 10' fermé par le bas et stappuyant axialement sur un palier gazeux 12 et radialement sur un palier magnétique 13'. Un moteur électrique 15 est prévu pour l'entraSnement. La figure 4 représente un autre exemple d'un rotor 30 en bore comportant un fond intégré 31 et un deuxième fond 32 conçu comme pièce distincte. Les saillies internes des fonds, prévues pour recevoir les éléments non représentes de palier et d'entrarnement sont frettées, pour donner un équilibrage des contraintes, de bagues 33 en bore ou en un autre matériau. La figure 6 représente un rotor en bore bi-étagé 35. Le pli tubulaire 36 directement obtenu les du dépôt en phase gazeuse, autorise aux différents constituants tubulaires 37, 38 une flexion élevée, dans la zone centrale du rotor lors du passage à vitesse critique, pour une charge relativement faible sur les paliers. REVENDICATIONS 10) Rotor pour hautes vitesses d'exploitation cpnçu comme corps creux, particulièrement rotor de tambour centrifugeur, pouvant tourner à hautes vitesses périphériques, rotor caractérisé en ce que le rotor (10) est essentiellement fabriqué en bore pur. 20) Rotor selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rotor (10) comprend une enveloppe (30) et deux fonds (2t) en faces frontales. 30) Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 Ou 2 caractérisé en ce que l'enveloppe (20) du rotor est en bore. 40) Rotor selon la revendication 2, caractérisé en ce que aussi bien l'enveloppe de rotor (20) que les fonds (21) sont en bore pur. 50) Rotor selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fonds (31, 32) sont en une pièce avec l'enveloppe du rotor (30). 60) Rotor seloh l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les fonds (21, 22) du rotor (10) sont conçus intérieurement pour recevoir les constituants formant palier (26) et les éléments d'entrainernent (27, 28). 70) Rotor selon l'une quelconque des revendications 2 > 6, caractérisé en ce que la forme des fonds (21) aussi bien en ce qui concerne l'intérieur que les zones de transition avec l'enveloppe du rotor (20) et avec le profil interne est conçue de façon optima à l'égard des contraintes. 80) Rotor selon l'ensemble des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'intérieur des fonds d'une seule pièce (31, 32) du rotor, qui sert à recevoir les éléments formant palier et entrainement, est fretté avec des bagues de bore (33) pour obtenir l'équilibrage des contraintes. 90) Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rotor (10) constitué de bore pour est conçu avec une géométrie tubulaire géométriquement pure pour le domaine sous-critique. 100) Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ceque le rotor conçu sous forme d'un tambour centrifugeur (35) est conçu en plusieurs étages (37, 38) pour une exploitation critique ou multi-critique. 110) Rotor selon la revendication 9, caractérisé en ce que les interruptions (36) de la géométrie tubulaire entre les différentes sections tubulaires (37, 38) du rotor (35) sont de forme tubulaire, semblables à des plis, dirigées radialement vers l'intérieur. 120) Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le rotor (10) est monté verticalement et s'appuie à sa base sur un palier sphérique (12). 130) Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le rotor (10) s'appuie au moins à une extrémité sur un palier magnétique (13). 140) Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 h 13, caractérisé en ce que le rotor (10) est centré à sa partie supérieure par un palier magnétique (13). 150) Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à il et 14, caractérisé en ce que le rotor (10) s'appuie et est centré, d'un côté ou des deux côtés, par un palier à gaz (12'). 160) (Rotor, selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le rtor (10) est entraîné par un jet gazeux (18) sur une turbine (19). 170) Procédé pour la fabrication d'un rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on exécute un substrat (8) dont le profil de surface correspond à la forte du rotor (9) et en ce que l'on dépose sur la surface de ce substrat du bore pur par séparation en phase gazeuse. 180) Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que le bore est déposé sur la surface extérieure du substrat (8). 190) Procédé selon la revendication 18, carac térisé en ce que le substrat (8) est un corps creux à surface interne conforme et en ce quele bore pur est déposé sur la paroi interne de ce substrat. 200) Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que l'on utilise un substrat métallique, particulièrement en tungstène. 210) Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que l'on utilise un substrat (8) en graphite ou en céramique. 220) Procédé selon l'une quelconque des revendi cations 17 à 21, caractérisé en ce que le substrat reste dans le corps en bore sous forme de composants incorporés. 230) Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 21, caractérisé en ce que des parties du substrat restent dans le corps fabriqué en bore sous forme de composants incorporés. 240) Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 21, caractérisé en ce que l'on retire le substrat t8? après avoir fabriqué le corps en bore (9).