Brevet FR2468030A1 — publié le 19810430

L'invention concerne des paliers destinés à soutenir des arbres tournants et, plus particulièrement, un dispositif pour éliminer les vibrations dans le cas d'un déséquilibre anormalement élevé de l'arbre. Les arbres tournants, et en particulier ceux se trouvant dans les moteurs turbine a gaz, peuvent, en cours de fonctionnement, présenter un déséquilibre anormalement élevé. Par exemple, le rotor d'une turbine haute pression d'un moteur a turbine à gaz présentera un balourd anormal si une aube mobile de la turbine se détache. La combinaison d'un balourd anormalement élevé et d'une vitesse critique entrant dans la gamme de fonctionnement de l'arbre tournant de la turbine peut conduire à des forces de vibration susceptibles d'endommager les éléments mécaniques, ainsi qu'à des flèchissements excessifs de l'arbre, ce qui peut conduire a des frottements susceptibles de détériorer les éléments mécaniques. Les paliers de l'état de la technique agissent sur les caracteristiques de vibration de l'arbre au moyen d'un réglage de la vitesse critique et d'un amortissement. On agit habituellement sur la vitesse critique en réglant la flexibilité des différents éléments composant le moteur, par exemple l'arbre tournant lui-même, le palier, la structure de soutien, etc. La réponse en vibration aux vitesses critiques est souvent supprimée au moyen d'un amortisseur à effet d'éponge simple, qui comprend habituellement une certaine quantité d'huile enfermée entre deux surfaces radialement peu éloignées l'une de l'autre. Bien que les paliers de l'état actuel de la technique permettent généralement d'obtenir une bonne douceur de fonctionnement dans un système modérément déséquilibré en fonctionnement normal, ils sont généralement inadéquats dans le cas d'un déséquilibre anormalement élevé. Par exemple, quand on utilise un palier de l'état actuel de la technique avec un rotor de turbine haute pression d'un moteur a turbine à gaz, et dans le cas ou une aube mobile de la turbine se détacherait, le faible écartement entre les surfaces d'un amortisseur à effet d'éponge simple conduit à une réponse non-linéaire, du type réponse élastique dure, qui tend à augmenter la fréquence critique et contrebalance les avantages dus à l'amortissement.Une augmentation de la distance radiale entre les surfaces de l'amortisseur conduit à une élasticité plus souple, mais la force d'amortissement est considérablement plus faible, avec une tendance à créer des frottements dangereux. L'invention a donc pour but de créer - un palier pour arbre tournant qui supprime les forces de vibration importantes dans le cas d'un fonctionnement avec un balourd anormal - un palier évitant des fléchissements excessifs de l'arbre en fonctionnement normal - un palier créant une force d'amortissement élevée tout en maintenant un système élastique relativement souple. L'invention concerne à cet effet un palier destiné à soutenir un arbre tournant, et qui comprend une structure de soutien ; un palier proprement dit, comprenant un chemin de roulement extérieur entourant l'arbre ; un moyen de soutien, résilient, reliant le chemin de roulement extérieur du palier à la structure de soutien ; et un moyen créant une force d'amortissement élevée destinée à supprimer les forces de déséquilibre anormalement élevées et les fléchissements à l'intérieur de l'arbre. Le moyen d'amortissement se compose d'un dispositif d'amortissement à effet d'éponge multiple, qui contient deux éléments annulaires entourant l'arbre, et disposés à une certaine distance axiale l'un de l'autre de façon à former entre eux une cavité annulaire.De même, plusieurs manchons annulaires emboités entourent l'arbre, et ils sont disposés à l'intérieur de la cavité annulaire, le manchon le plus radialement intérieur étant associé à la structure de soutien. Les diamètres des manchons varient du manchon radialement le plus intérieur au manchon radialement le plus extérieur, de façon à former entre eux des espaces annulaires. Un fluide visqueux est amené sous pression à chacun des espaces annulaires. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés, qui représentent respectivement Figure 1, une vue en coupe partielle d'une partie d'un moteur à turbine à gaz, représentant une réalisation du palier selon l'invention Figure 2, une vue en coupe partielle d'une autre partie du moteur de la figure 1 ; et Figure 3, une vue en perspective, agrandie, d'une partie de la figure 1. La figure 1 représente une section transversale partielle d'une partie d'un moteur à turbine à gaz, désigné par le répère 10. Le moteur 10 peut être un moteur quelconque, par exemple une turbo-soufflante, un turbo-réacteur, un turbomoteur, etc, et il n'est pas essentiel, pour la compréhension de l'invention, de donner une description détaillée de ses éléments principaux et de son fonctionnement. Un arbre 12, par exemple un rotor de turbine, est tourillonné de façon à pouvoir tourner à l'intérieur d'un palier 14. Le palier 14 peut être d'un type quelconque, par exemple un roulement à billes, et comprend un chemin de roulement extérieur 16. Le chemin de roulement extérieur 16 est relié, par une liaison résiliente, par un moyen de soutien résilient, désigné par le repère 20, à une structure de soutien 18, généralement rigide, par exemple un carter. Le moyen de soutien résilient 20 est conçu sous la forme d'un système élastique souple, de façon à établir et maintenir la vitesse critique du rotor 12 à une valeur correspondant à un faible pourcentage de la vitesse du moteur. Le moyen de soutien résilient 20 maintient aussi l'arbre 12 centré en fonctionnement normal. Pour des raisons qui seront expliquées ci-après, la nature résiliente du moyen de soutien 20 permet à l'arbre 12 d'avoir un déplacement radial. Le moyen de soutien 20 de la présente réalisation est une "cage d'écureuil", qui se compose d'un logement annulaire de soutien 22, d'ùn logement annulaire de palier 24 et de plusieurs tiges profilées, disposées à une certaine distance périphériques les unes des autres et généralement orientées dans le sens axial, dont l'une est désignée par le répère 26. Le logement de palier 24 est fixé au chemin de roulement extérieur 16 au moyen d'un écrou de retenue annulaire 28. L'écrou de retenue de palier 28 est serré contre le chemin de roulement extérieur 16, grâce aux filetages 30 se trouvant dans la partie radialement intérieure du logement de palier 24. Le serrage initial de l'écrou de retenue 28 exerce une pression sur le côté gauche (comme on le voit sur la figure 1) du chemin de roulement extérieur 16, ce qui force le chemin de roulement extérieur 16 vers la droite et le fait entrer en contact par aboutement avec un épaulement annulaire 32 du logement de palier 24. Si l'on continue à serrer l'écrou de retenue de palier 28, on bloque le chemin de roulement extérieur 16 en place par rapport au logement de palier 24, comme on le voit sur la figure 1. Le logement de soutien 22 de la cage est fixé à la structure de support ou au carter 18 par plusieurs boulons et contre-écrous, dont un couple est représenté par les repères respectifs 34 et 36. Les tiges relient le logement de soutien 22 de la cage au logement de palier 24, d'une manière qui sera décrite ci-après, dans le but de créer le support élastique souple voulu pour le palier 14. Pour éviter une répétition inutile, on décrira uniquement la manière dont est reliée l'une des tiges aux deux logements. I1 est cependant bien entendu que toutes les tiges sont reliées de la même façon. L'extrémité aval 38 d'une tige 26 est fixée, par emmanchement dur à la presse, à l'intérieur d'une ouverture annulaire 40 traversant axialement le logement de soutien 22 de la cage. (Par "aval", on entend ici la droite sur la figure 1). L'extrémité aval 38 de la tige 26 se termine par un bouton 42 dont la section transversale, dans le sens axial, est supérieure à celle de l'ouverture annulaire 40, et qui est disposé à l'intérieur d'une ouverture 44, de plus grand diamètre, aménagée dans le côté aval du carter de soutien de cage 22. Le bouton 42 joue le rôle d'un arrêt mécanique rigide en butant, ou bien contre le côté amont du carter 18, ou bien contre le côté aval du logement de soutien 22 de la cage, pour limiter le déplacement axial de la tige 26 dans l'un ou l'autre sens. I1 joue aussi le rôle d'un moyen permettant d'éviter le déplacement ou la perte de la tige dans le cas d'une défaillance de cette dernière. L'extrémité amont 46 de la tige 26 est, de même fixée par emmanchement dur à la presse à l'intérieur d'une ouverture annulaire 48 s'étendant axialement à travers le logement de palier 24. L'extrémité amont 46 de la tige 26 contient aussi un prolongement 50, ayant un diamètre inférieur à celui du reste de la tige 26. Le prolongement de tige 50 s'étend axialement à travers une ouverture annulaire 52 aménagée dans le logement de palier 24 et à travers une ouverture aménage dans la plaque de blocage de rotation 54. On serre contre la plaque de blocage 54 et contre le logement de palier 24 un écrou 56 placé sur l'extrémité filetée 58 du prolongement 50 de la tige, ce qui tire la tige 26 vers la gauche, jusqu'à ce qu'un épaulement annulaire 60 de la tige 26 entre en contact avec un siège annulaire 62 se trouvant à l'intérieur du logement de palier 24 (figure 1). Le contreécrou 56 joue non seulement le rôle d'un moyen destiné à positionner convenablement la tige 26 à l'intérieur du logement de palier 24 et à retenir la plaque de blocage 54 en position, mais aussi celui d'un moyen destiné à éviter le déplacement ou la perte de la tige, en cas de défaillance de cette dernière. L'utilisation de tiges individuelles 26 pour joindre, de la manière décrite ci-dessus le logement de palier 24 au logement de soutien de cage 22 se traduit par des contraintes plus faibles sur la tige, pour une rigidité donnée et un flèchissement donné du rotor. Les tiges sont profilées de façon à créer des contraintes constantes de long de l'axe de chaque tige quand des fléchissements radiaux sont appliqués sur le logement de palier 24. La diminution des contraintes sur la tige se traduit par une augmentation de l'aptitude à absorber les fléchissements du rotor (et donc des balourds plus élevés), en évitant une défaillance des tiges 26 due à la fatigue. Un dispositif d'amortissement à effet d'éponge multiple, désigné par le repère 64, est disposé entre le bord radialement extérieur du moyen de soutien résilient 20 et le bord radialement intérieur de l'élément annulaire de structure 66. L'élément de structure 66 est fixé au carter 18 et en fait partie intégrante. Le dispositif d'amortissement 64 se compose généralement d'un premier élément annulaire, ou carter d'amortibseur 68 lequel, en liaison avec un deuxième élément annulaire 70 et une partie du bord radialement extérieur du logement de palier 24, forme une cavité annulaire d'amortissement, désignée par le répère 72. Le carter d'amortisseur 68 se compose généralement d'un cylindre 67 possédant une première bride annulaire 69 s'étendant radialement vers l'intérieur de ce dernier. Le bord radialement extérieur du cylindre 67 est en contact avec le bord radialement intérieur de l'élément de structure 66 et est maintenu radialement en place au moyen d'un emmanchement dur à la presse.Une deuxième bride annulaire 74 s'étend radialement vers l'intérieur du cylindre 67 à partir de son extrémité aval 76, et est fixée par boulon au carter 18 dans le but d'empecher le déplacement axial du carter d'amortisseur 68 par rapport à l'élément de structure 66. L'élément annulaire 70 possède une partie 78 en forme de bride annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur, en aboutement avec un épaulement annulaire 80 du carter d'amortisseur 68. Un écrou annulaire pour clé 82 coopère avec un ensemble de filetages 84 se trouvant à l'intérieur du carter d'amortisseur 68, et cet écrou est serré sur ces filetages de façon à bloquer l'élément annulaire 70 dans la position représentée sur la figure 1. L'écrou 82 est, tout particulièrement, conçu avec une partie plate 86 qui entre en contact avec le bord radialement extérieur de l'élément annulaire 70 pour créer une force de blocage uniforme, qui empêche l'élément annulaire 70 de se décaler en position sous l'effet d'une force de pression axiale. Plusieurs manchons annulaires emboîtés (représentés, dans la réalisation décrite, sous la forme d'un ensemble de quatre manchons) 88, 90, 92 et 94, sont disposés à l'intérieur de la cavité annulaire 72 de l'amortisseur. Les manchons ont une longueur axiale précise, de sorte que, après qu'ils ont été assemblés à l'intérieur de la cavité de l'amortisseur, il existe un jeu axial minimal entre les manchons et les parois radiales de la cavité 72-de l'amortisseur. En plus, chaque manchon possède une ou plusieurs saillies de faible hauteur 124, comme on le voit, d'une manière agrandie, sur la figure 3 (qui, pour plus de clarté, ne représente qu'un seul manchon), quicrée desjeux axiauxer nout, dans le but d'égaliser la pression sur le bord aval de la pression sur le bord amont du manchon. Le manchon 88, situé radialement le plus près du centre, est associé au bord radialement extérieur du logement de palier 24, en formant un espace annulaire 96 entre eux d'une manière qui sera décrite ci-après. Les diamètres des manchons annulaires 88, 90, 92 et 94 varient entre le manchon radialement le plus intérieur et le manchon radialement le plus extérieur, de façon à former entre eux des espaces annulaires 98, 100 et 102. par exemple, le diamètre du bord radialement extérieur du manchon 88 est légèrement plus petit que le diamètre du bord radialement intérieur du manchon 90, de façon à former entre eux l'espace annulaire 98. Le manchon radialement le plus extérieur 94 est associé au bord radialement intérieur du carter d'amortisseur 68, en formant entre eux un espace annulaire 104. Comme on le voit plus clairement sur la figure 2, une source de fluide visqueux sous pression (non représentée) est reliée (par un moyen décrit ci-après) au dispositif d'amortissement 64, pour maintenir une arrivée constante de fluide sous pression à l'intérieur des espaces annulaires 96, 98, 100, 102 et 104. Le fluide sous pression est amené, par l'intermédiaire d'un premier passage pour fluide 106 disposé à l'intérieur du carter 18, à une gorge annulaire 108 d'alimentation de fluide formée entre le bord radialement extérieur du carter d'amortisseur 68 et le carter 18. L'utilisation d'une gorge annulaire d'alimentation 108 supprime la nécessité d'avoir un grand nombre de lignes d'alimentation extérieures.Deux joints annulaires d'étanchéité pour piston 110, dont l'un est situé sur l'un ou l'autre des côtés de la gorge d'alimentation 108, sont prévus pour retarder les fuites de fluide à partir de la gorge d'alimentation 108. Le fluide sous pression se trouvant dans la gorge d'alimentation 108 s'écoule dans la cavité d'amortisseur 72 par l'intermédiaire d'un deuxième passage 112 aménagé dans le carter d'amortisseur 68. La partie axiale 114 du deuxième passage 112 comprend un moyen, par exemple un clapet de retenue 116, destiné à maintenir le fluide sous pression à l'intérieur de la cavité d'amortisseur 72, et pour éviter que du fluide ne s'écoule en arrière, en sortant de l'amortisseur 64, pendant les situations de déséquilibre.Bien que la description ci-dessus se rapporte à un passage unique 112 destiné à amener le fluide sous pression de la gorge d'alimentation 108 à la cavité d'amortisseur 72, il est bien entendu qu'il peut être souhaitable d'avoir plusieurs passages, disposés à une certaine distance périphérique les uns des autres, pour maintenir un niveau convenable de fluide à l'intérieur de la cavité de l'amortisseur 72. Par référence aux figures 1, 2 et 3, le fluide sous pression pénètre dans la cavité d'amortisseur 72 à partir de la partie axiale 114 du passage 112, et forme un film hydrodynamique à l'intérieur des espaces annulaires 96, 98, 100, 102 et 104. Le déplacement du fluide à l'intérieur des espaces annulaires est facilité par plusieurs ouvertures ou trous 118, aménagés dans les manchons annulaires 88, 90, 92 et 94, et disposés à une certaine distance périphérique les uns des autres. Dans la réalisation présentée, les trous 118 aménagés dans le manchon 94 sont alternativement disposés selon deux rangées périphériques, disposées à une certaine distance axiale l'une de l'autre. Les trous 118 du manchon 90 sont disposés d'une manière analogue. Les trous 118 des manchons 92 et 88 sont aménagés le long d'une rangée périphérique unique.Les trous sont espacés de la manière décrite, de façon à créer une communication progressive du fluide entre les espaces annulaires 96, 98, 100, 102 et 104, dans le but de maintenir une répartition régulière du fluide sous pression à l'intérieur des espaces annulaires 96, 98, 100, 102 ou 104. Par référence aux figures 1 et 2, deux segments annulaires de piston 120, ou d'autres éléments convenables d'étanchéité, sont en contact avec le bord radialement inférieur du carter d'amortisseur 68, le contact étant effectué par emmanchement dur à la presse. Les segments de piston 120 sont installés dans deux gorges annulaires 122 se trouvant à l'intérieur du bord radialement extérieur du logement de palier 24, dans le but de retarder la fuite de fluide sous pression à partir de la cavité d'amortisseur 72. En fonctionnement normal, le moyen de soutien résilient 20 joue le rôle d'un système élastique mécanique souple, dans le but de maintenir l'arbre 12 centré, et d'établir la vitesse critique de l'arbre 12 à une valeur souhaitée, habituellement inférieure à la gamme de régimes normaux du moteur, ou en bas de cette gamme. Dans le cas où l'arbre 12 serait soumis à un mouvement du type tournoiement, à cause de forces de déséquilibre anormalement élevées ou en raison d'une marche à la vitesse critique, les broches 26 empêcheraient le logement de palier 24 de tourner avec l'arbre 12. Ainsi, le logement de palier 24 présente un mouvement du type orbital lequel, lui aussi, impose au dispositif d'amortissement 64 à effet d'éponge multiple un mouvement du type orbital.Le déplacement correspondant comprime le film de fluide dans chacun des espaces annulaires 96, 98, 100, 102 et 104, en créant dans ces derniers des forces hydrodynamiques. Les forces hydrodynamiques créées sont fonction de phénomènes d'écoulement du fluide. I1 entre dans la nature même de la force qu'elle devient d'autant plus grande, pour un déplacement donné, que l'espace annulaire est plus étroit. Ainsi, on peut augmenter ces forces en maintenant à une faible largeur les espaces annulaires individuels 96, 98, 100, 102 et 104, au lieu de n'avoir qu'un seul jeu de grande largeur. De même, les forces sont caractérisées par le fait qu'on peut les augmenter en maintenant un jeu axial minimal entre les manchons 88, 90, 92 et 94 et les parois de la cavité d'amortisseur 72, ce qui oblige le fluide à s'écouler d'abord d'une manière périphérique, conformément au mouvement du type tournoiement, plutôt que selon une trajectoire axiale libre correspondant à l'expulsion du fluide. La force peut être décomposée en deux composantes, la force élastique étant la composante dirigée dans le sens du déplacement, la force d'amortissement étant la composante normale au sens de déplacement et opposée au mouvement de tournoiement. C'est l'augmentation de cette force d'amortissement qui est recherchée pour supprimer les vibrations. Une augmentation de la composante d'amortissement augmente aussi le composante élastique ; cependant, le fait qu'il y ait un grand nombre d'espaces annulaires 96, 98, 100, 102 et 104, conduit à créer un jeu radial total plus grand, ce qui conduit à une constante élastique globale généralement plus faible. Cette diminution de la constante élastique, combinée au système élastique mécanique souple décrit précédemment, conduit à un support globalement souple pour l'arbre 12. REVENDICATIONS 1. Palier destiné à soutenir un arbre tournant, comprenant une structure de soutien ; un palier proprement dit entourant l'arbre etcomportantun chemin de roulement ; et un moyen de soutien, résilient, entourant l'arbre pour relier par une liaison résiliente le chemin de roulement extérieur à la structure de soutien, palier caractérisé en ce qu'il comprend un moyen entourant l'arbre et disposé entre le moyen de soutien et la structure de soutien pour créer une force d'amortissement élevée dans le but de supprimer les forces de déséquilibre et les fléchissements anormalement élevés à l'intérieur de l'arbre tout en maintenant en fonctionnement normal un système élastique souple. 2. Palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'amortissement comprend un dispositif d'amortissement à effet d'éponge multiple, lequel contient un premier et un deuxième éléments annulaires entourant l'arbre, ces éléments étant situés axialement à une certaine distance l'un de l'autre de façon à former entre eux une cavité annulaire ; un grand nombre de manchons annulaires emboltés entourant l'arbre et disposés à l'intérieur de la cavité, ces manchons ayant des diamètres différents de façon à former entre eux des espaces annulaires, le manchon radialement le plus intérieur étant associé au moyen de soutien résilient et le manchon radialement le plus extérieur étant associé à la structure de soutien ; et un moyen pour amener à chacun des espaces annulaires un fluide visqueux sous pression. 3. Palier selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier élément annulaire comprend généralement un cylindre entourant l'arbre et en contact avec la structure de soutien, ce cylindre comportantune bride annulaire s'étendant radialement vers l'intérieur à partir du cylindre, le deuxième élément annulaire contenant un joint annulaire en contact avec le cylindre et disposé à une certaine distance axiale de la bride pour former la cavité. 4. Palier selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour rendre égales les pressions aux extrémités axiales des manchons annulaires. 5. Palier selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'égalisation des pressions comprend plusieurs saillies disposées à une certaine distance phériphérique les unes des autres, aménagées sur les extrémités axiales des manchons annulaires. 6. Palier selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen pour amener le fluide aux espaces annulaires comprend un moyen de passage pour amener le fluide à la cavité à travers une ou plusieurs ouvertures aménagées dans l'un des éléments annulaires. 7. Palier selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de passage comprend un ou plusieurs passages, généralement axiaux, une première extrémité de chaque passage étant reliée à une source de fluide sous pression, une deuxième extrémité de chaque passage étant reliée à l'une des ouvertures aménagées dans l'un des éléments annulaires. 8. Palier selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première extrémité du ou des passages est reliée à une gorge annulaire d'amenée de fluide, cette gorge d'amenée étant elle-même reliée à une source de fluide sous pression. 9. Palier selon la revendication 7, caractérisé en ce que le ou les passages axiaux comprennent un moyen de maintenir le fluide sous pression à l'intérieur de la cavité. 10. Palier selon la revendication 6, caractérisé en ce que les manchons annulaires comportent un certain nombre d'ouvertures aménagées à une certaine distance périphérique les unes des autres pour faciliter le déplacement du fluide vers les espaces annulaires. 11. Palier destiné à soutenir un arbre tournant dans un moteur à turbine à gaz, palier comprenant une structure de soutien ; un palier proprement dit entourant l'arbre et contenant un chemin de roulement extérieur ; et un moyen de soutien, résilient, entourant l'arbre pour relier par une liaison résiliente le chemin de roulement à la structure de soutien ; palier caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif amortisseur à effet d'éponge multiple comprenant deux éléments annulaires entourant l-'arbre et disposés à une certaine distance axiale l'un de l'autre pour former entre eux une cavité annulaire ; plusieurs manchons annulaires emboltés entourant l'arbre et disposés à l'intérieur de la cavité, ces manchons ayant des diamètres différents de façon à former entre eux des espaces annulaires, le manchon radialement le plus intérieur étant associé au moyen de soutien résilient et le manchon radialement le plus extérieur étant associé à la structure de soutien ; et un moyen pour amener à chacun des espaces annulaires un fluide visqueux sous pression.