Brevet FR2515754A1 — publié le 19830506

L'invention concerne un montage par palier à gaz d'éléments de construction se déplaçant l'un par rapport à l'autre, notamment un montage par palier à air pour des températures ambiantes extrêmement élevées. La mise en application de paliers à air à des températures élevées, avec le plus souvent des gradients de température, conduit, en raison des coefficients de dilatation thermique élevés des matériaux connus, à des variations de tolérances et par suite aux problèmes connus de grippage, marche instable ou a une forte diminution du coefficient de portance, Pour réduire les coefficients de dilatation ainsi que les tolérances, on a souvent proposé d'utiliser une matière céramique - spéciale de compacité élevée pour l'élément mobile à monter (par exemple arbre, piston) ainsi que pour l'élément de palier ( par exemple coussinet). Dans un montage par palier à air classique, il faut prévoir à l'intérieur du palier pour établir les coussins d'air porteurs appropriés, des petits perçages d'amenée d'air et des logements ou des conduits de distribution d'air L'éxécution de perçages aux côtes voulues dans la céramique ainsi que de conduits de dis- tribution d'air est extrêmement compliquée et très onéreuse. Elle est donc difficilement supportable au point de vue économique. L'invention a pour but de créer un montage par palier à gaz d'éléments de construction se déplaçant l'un par rapport à l'autre, ce montage évitant les inconvénients mentionnés précédemment Il faut notamment obtenir un montage de construction simple et satisfaisant par des éléments de construction exposés à des conditions de service extrêmes. L'invention concerne à cet effet un montage du type ci-dessus caractérisé en ce qu'au moins un élément de construction comporte,au moins un élément de palier perméable au gaz en-matière poreuse, le gaz pouvant être envoyé à l'intérieur du palier à travers cet élément perméable. L'élément de palier est constitué notam- ment en une matière céramique poreuse frittée présentant un faible coefficient de dilatation thermique, l'élément de palier conjugué pouvant être constitué en matière céramique de compacité élevée ou en métal( ou en une autre matière résistante) Ltutilisation d'une matière céramique poreuse frittée rend inutile l'exécution des petits perçages d'amenée d'air et des logements de distribution d'air qui étaient nécessaires suivant l'état de la technique Le gaz amené est au contraire envoyé à l Vintérieur-du palier en étant régu- lièrement réparti sur l'ensemble de la surface poreuse du palier, de sorte qu'on a pratiquement en service un appui sans contact avec un jeu de palier défini. Il est clair qu'on simplifie ainsi la fabrication du palier et qu'on obtient en plus également un accroissement de la capacité du palier: Le comportement dyna- mique est en particulier considérablement amélioré et on obtient également un coefficient de portance plus élevé avec une consommation de gaz réduite Le palier convient aussi bien pour les basses températures que pour les températures très élevées (supérieures à 1000 'C), ainsi que pour des vitesses relatives élevées entre les éléments de construction se déplaçant l'un par rapport à l'autre (vitesses de rotation élevées d'arbres montés sur paliers; grandes vitesses de course de pistons). Suivant un mode de réalisation particuliè- rement avantageux de l'invention, dans un palier radial et axial combiné, il est prévu au moins un coussinet en matière céramique poreuse comportant une collerette périphérique pour servir d'appui à la Force axiale. Plus particulièrement, les dimensions radiales de collerettes périphériques de coussinets opposées (surfaces perpendiculaires à l'axe du palier poreux) sont choisies de grandeur différente et/ou réglables pour corres- pondre à une compensation de poussée axiale Par l Vaugmen- tation ou la réduction de lune des surfaces d'appui en direction axiale du coussinet, on peut ainsi éviter une poussée axiale unilatérale sur l'élément tournant. En variante, la compensation axiale peut aussi être effectuée par sollicitation avec des pressions de gaz différentes de surfaces perpendiculaires à l'axe opposées du ou des coussinets Il est prévu pour cela deux raccords de pression distincts. Il est judicieux que les surfaces perpen- diculaires à l'axe présentent des fentes radiales pour assurer la mise à l'air libre du coussin de gaz de l'inté- rieur du palier Les fentes radiales présentent l'avantage d'une exécution plus économique que des perçages, par exemple dans une matière céramique. On utilise avantageusement de l'air en tant que gaz L'air est envoyé à une température pré- déterminée à l'intérieur du palier Suivant le cas d'espèce, on peut prévoir de l'air(ou du gaz) chaud ou froid Il est judicieux que le gaz soit envoyé à partir d'une source de gaz extérieure. 2515 '754 Dans le-cas d'un compresseur, il est cependant avantageux que le gaz soit envoyé à lintérieur du palier à partir de la chambre de compression, pour autant que le compresseur à piston comporte l'élément de palier poreux, L'agencement conforme à l'invention d'un montage par palier poreux sans contact convient notam- ment pour un palier à air aérostatique ou aérodynamique, les éléments de palier mobiles l'un par rapport à l'autre étant constitués, d'une part, en matière céramique poreuse et, d'autre part, en matière céramique de compacité élevée Le palier à air est approprié pour les températures extrême- ment élevées et extrêmement basses dans des conditions de température constante ou variable à des vitesses de rota- tion et/ou avec des courses à mouvements oscillants L'ali- mentation en air ou en gaz a lieu devant un coussinet poreux, judicieusement par l'intermédiaire d'une chambre annulaire. La description ci-après et les dessins annexés se rapportent à des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: la-figure 1 représente un montage par palier à air conforme à l'invention pour arbre en matière céramique; la figure 2 représente un palier radial et axial combiné conforme à l'invention pour un turbo-compresseur; la figure 3 est une coupe transversale, suivant la ligne A-A, du palier radial et axial combiné suivant la figure 2; la figure 4 représente un montage par palier à air conforme à l'invention d'un élément de cons- truction à mouvement alternatif, par exemple dtun piston de compresseur ou de moteur; la figure 4 a représente une autre r&alisa&tion d'un montage par palier à air d'un piston de compresseur ou de moteur; la figure 5 est une coupe axiale similaire à la figure 4 d'un montage par palier à air radial conforme à l'invention d'un piston. Le palier à air représenté sur la figure 1 est prévu pour un arbre en matière céramique 7 effectuant des mouvements de rotation ainsi que des mouve- ments d'oscillation L'arbre en matière céramique 7 est soumis à une force de portance (radiale) relativement gran- de qu'est indiquée de façon symbolique par une flèche verticale B Cette force est amenée par l'élément de palier extérieur 1 se présentant sous forme d'un boitier fixé de façon amovible par des vis 11 sur l'élément de construction lc. Dans l'élément de palier 1 est monté géométriquement un élément de palier 2 perméable au gaz en matière céramique poreuse, cet élément entourant l'arbre 7 en matière céramique de compacité élevée avec un faible jeu en montage ajusté L-'air est envoyé, à partir d'une source de pression extérieure non représentée, par un orifice radial de l'élément de palier 1, à une chambre annulaire 9 formée par les éléments 1 et 2, cette chambre st'étendant en direction axiale pratiquement sur toute la longueur axiale de l'élément de palier poreux 2 A partir de la chambre annulaire 9, l'air comprimé arrive a linté- rieur 3 du palier (fente de palier) en traversant les pores de l'élément de palier 2 En service, cet air est évacué latéralement dans l'ambiance par des orifices axiaux 6 o L'air amené crée un coussin d'air porteur à l'intérieur 3 du palier, de sorte qu'il n'y a pratiquement pas de contact entre l'arbre 7 en matière céramique et 'élément de palier poreux 2 On améliore ainsi considérablement le comportement dynamique en marche de l'arbre 7 en matiè- re céramique par rapport au comportement suivant l'état de la technique et on obtient également un coefficient de portance plus élevé (consommation d'air plus faible). L'arbre 7 en matière céramique de com- pacité élevée et l'élément de palier poreux 2 en matière céramique frittée présentent sensiblement le même (faible) coefficient de dilatation thermique On peut ainsi avoir aussi bien des températures très basses que des températures très élevées allant jusqu'à 10000 C, avec un guidage de palier précis. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2 et la figure 3, correspondant à un montage à palier radial et axial comtiné, pour turbocompresseur de suralimentation, comporte un arbre 7 en matière céramique frittée classique de compacité élevée L'élément de palier 1 entourant l'arbre 7 en matière céramique maintient deux éléments de palier poreux 2 constitués de façon essentiellement similaire Chaque élément de palier 2 comporte une collerette périphérique 8 dirigée radialement vers l'ex- térieur, ces collerettes constituant des surfaces du montage perpendiculaires à l'axe. En service, de l'air est envoyé aux con- duits annulaires 9 par deux orifices d'entrée distincts 4. A partir de là, l'air est envoyé à l'intervalle du palier. Dans chacun des deux intervalles de palier est établi un coussin d'air porteur uniforme, de même que sur les surfaces perpendiculaires à l'axe des collerettes périphériques 8. A partir de l'intervalle, l'air (primaire) est, évacué dans l'ambiance par les sorties de gaz 6 de l'élément de palier 1 Les surfaces perpendiculaires à l'axe des collerettes périphériques 8, présentent des fentes radiales 5 (au nombre de trois) régulièrement réparties sur le pourtour Ces fentes sont représentées en détail sur la figure 3; elles servent à assurer l'évacuation de l'air. On peut, de préférence, effectuer une compensation d'une poussée axiale unilatérale par augmenta- tion ou réduction de l'une des surfaces porteuses perpendi- culaires à l'axe de l'élément de palier poreux 2 On obtient également une compensation d"une poussée axiale unilatérale lorsqu'on envoie aux éléiments de palier individuels 2 de l'air à une pression différente avec une valeur prédétermi- née On peut ainsi régler différemment la "dureté" du coussin d'air porteur en direction radiale et régler en conséquence la poussée axiale unilatérale O La figure 4 représente un montage par palier à air pour un élément de construction 7 se déplaçant suivant un mouvement alternatif (par exemple un piston d'un compresseur ou d'un moteur) Le piston 7 est alors constitué en matière céramique de compacite élevée. Le cylindre du piston est formé par les éléments de palier 1 en matière céramique de compacité élevée ainsi que par les éléments de construction la, lb en matière de même composition et par l'élément de construc- tion loc Lorsqu'ils sont montés, ces éléments maintiemnent par leur forme l'élément de palier poreux 2 en matière céramique (coussinet céramique) Le coussinet poreux 2 entoure alors le piston 7 en matière céramique suivant un montage ajusté avec un faible jeu. Lors du fonctionnement du compresseur à piston représenté, du gaz 4 est envoyé à l'intérieur 3 du palier à partir de la chambre annulaire 9 et à travers le coussinet poreux 2 L'air est amené dans la chambre annu- laire 9 A partir de 10 (gaz comprimé) en passant par le perçage 4 Un coussin d'air porteur est donc établi à l'intérieur ("Montage par palier à air radial") L'air peut sortir, par exemple, sans pression, au-dessous du piston 7 En raison de l'effet d'étranglement de la matière céramique poreuse, la consommation d'air est relativement faible, de sorte que la chute de pression dans la chambre annulaire 9 est d'importance secondaire Si le piston 7 représenté sur la figure 4 est déplacé vers le bas, l'expansion de l'air, ? 5 d'abord sans pression, est empêoché Par suite du vrès faible I volume dtair se trouvent dans les pores du coussinet poreux 2, on a un établissement rapide de la pression de l'air, ce- qui permet une fréquence de course axiale très élevée du compresseur à piston Les orifices axiaux 12, 13 correspondent à l'admission et au refoulement du compresseur. Dans l'exemple de réalisation de compres- seur suivant la figure 4 a, l'air comprimé sortant de la chambre de compression 10 arrive par des perçages 4 b de l'élément de palier poreux 2 dans la chambre annulaire 9. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 5 correspond, pour l'essentiel, à l'exemple de réalisation suivant lafigure 4 Les éléments correspondants sont affectés des mêmes références numériques Par diffrence avec l'exemple de réalisation mentionné précédemment, le montage par palier à air radial suivant la figure 5 comporte un coussinet 7 en matière céramique frittée classique de compacité élevée, tandis que le piston 14 du compresseur, dont la base est en matière céramique de compacité élevée, comporte un élément de palier cylindrique 2 poreux et fritté qui détermine l'intérieur 3 du palier conjointement avec le coussinet 7. En fonctionnement, conformément à la moitié de droite de la figure 5, de l'air 4 provenant d'une source de pression extérieure non représentée, est envoyé à la chambre annulaire 9 par un raccord 15 du vilebrequin du piston 14 du compresseur A partir de là, l'air est conduit à l'intérieur 3 du palier à travers l'élément de palier 2 en matière céramique poreuse Il s'établit à l'intérieur un coussin d'air porteur uniforme sur la surface latérale cylindrique du piston 14 du compresseur. En variante, conformément à la moitié de gauche de la figure 5, on peut avoir une sollicitation par pression directe, à partir de la chambre de compression 10, par le perçage 4 a On peut ainsi, avantageusement, se dispenser de 3 C prévoir une alimentation extérieure en air comprimé chaud ou froide 3 15754 REVENDICATIONS 1 Montage par palier à gaz d'éléments de construction se déplaçant l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce qu'au moins un élément de construction ( 1) comporte au moins un élément de palier ( 2) perméable au gaz en matière poreuse, le gaz ( 4) pouvant être envoyé à l'intérieur ( 3) du palier à travers cet élement perméable. 2 Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de palier ( 2) perméable au gaz est constitué en une matière céramique poreuse frittée présentant un faible coefficient de dilatation thermique. 3 Montage selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément de palier conjugué ( 7) est constitué en une matière céramique de compacité élevée ou en métal. 4 Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans un palier radial et axial combiné, il est prévu au moins un coussinet poreux ( 2) en matière céramique comportant une collerette périphérique ( 8) pour servir d'appui à la force axiale. Montage selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dimensions radiales de collerettes périphériques de coussinets opposées ( 8) (surfaces perpendi- culaires à l'axe du palier poreux) sont choisies de grandeur différente et/ou réglables pour correspondre à une compensa- tion de poussée axiale. 6 Montage selon l'une des revendica- tions 4 et 5, caractérisé en ce qu'une compensation de poussée axiale est effectuée par sollicitation avec des pressions de gaz différentes de surfaces perpendiculaires à l'axe opposées du ou des coussinets. 7 Montage selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les surfaces perpendiculaires à l'axe présentent des fentes radiales ( 5). 8 Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'air est utilisé en tant que gaz - 9 Montage selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est prévu un palier à air aérosta- tique. Montage selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est prévu un palier à air aérodyna- mique, les éléments de palier mobiles l'un par rapport à l'autre ( 2, 7) étant constitués, d'une part, en matière céramique poreuse et, d'autre part, en matière céramique de compacité élevée. 11 Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le gaz est envoyé à l'intérieur ( 3) du palier à une température prédé- terminée. 12 Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le gaz ( 4) est envoyé à partir d'une source de gaz extérieure. 13 Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que dans un com- presseur, le gaz est envoyé à l'intérieur ( 3) du palier à partir de la chambre de compression ( 10) par des perçages ( 4 a) du piston ( 14) du compresseur ou par des perçages ( 4 b) 2.5 de l'élément de palier poreux ( 2). ORIGINAL Cabinet BERT, de y ER t YENANT & HERBURGF