Brevet FR2512136A1 — publié le 19830304

La présente invention concerne un palier à fluide liquide comprenant un élément cylindrique interne et un élément externe en forme de douille entourant avec un faible jeu l'élément cylindrique interne, l'un des deux éléments (en général l'élé- ment externe en forme de douille) comportant entre ses extrémi- tés plusieurs chambres qui sont régulièrement réparties circonférentiellement dans sa surface périphérique tournée vers l'autre élément et qui sont pourvues d'orifices d'injection pour un liquide porteur, un carter de palier avec joints d'étanchéité formant avec les éléments interne et externe des chambres collectrices pour le liquide porteur sortant dudit jeu respecti- vement aux extrémités du palier, et un circuit hydraulique pour recycler ledit liquide porteur desdites chambres collec- trices à ladite pluralité de chambres. Les paliers à fluide liquide sont bien connus dans la tech- nique des pivots Dans ces paliers, les éléments fixe et tournant, en général les éléments externe et interne, respectivement, sont séparés par un film de fluide cohérent à l'intérieur duquel existent des pressions suffisamment élevées pour empêcher ces éléments d'entrer en contact l'un avec l'autre Selon leur mode de fonctionnement, les paliers à fluide liquide sont de deux types: les paliers dits hydrodynamiques et les paliers dits hydrostatiques. Les paliers hydrodynamiques sont conçus et réalisés de tel- le manière que les pressions maintenant écartés les éléments fixe (douille) et tournant (arbre) sont engendréesdans le fluide par cisaillement d'un film de fluide en forme de coin. Le fluide, en général de l'huile, est amené dans le jeu entre arbre et douille à une pression juste suffisante pour assurer le débit nécessaire Les forces de séparation sont liées à la viscosité du fluide, à la grandeur et à la répartition du jeu entre arbre et douille, à la vitesse relative arbre-douille, tous ces paramètres jouant simultanément un rôle essentiel sur le plan fonctionnel. Par contre, dans les paliers hydrostatiques, le fluide est amené dans le jeu entre arbre et douille à une pression relati- vement élevée au moyen d'une pompe, cette pression étant- suffisamment élevée pour maintenir l'arbre et la douille espa- cés l'un de l'autre La -portance du palier résulte de la différence des pressions entre les génératrices "chargées" et les génératrices "déchargées" du palier, différence qui résulte -elle,-mêmer des jeux radiaux différents à l'intérieur du palier, qui sont corrélatifs à l'excentrement entre arbre et douille, cet excentrement étant lui-même dû à la charge à laquelle l'arbre est soumis. Pour qu'un palier à fluide liquide fonctionne correcte- ment, quel qu'en soit le type, il est nécessaire que les caractéristiques du liquide porteur soient bien conformes à celles qu'on attend, et notamment qu'elles soient stables sur la plus large plage possible de fonctionnement Ceci explique que l'on utilise en général de l'huile comme liquide porteur. Toutefois, il est aussi connu d'utiliser d'autres liquides comme liquide porteur, par exemple le liquide véhiculé ou traité par la machine équipée du palier, ce qui offre l'avantage d'éviter d'avoir à prévoir des dispositifs complexes d'étan- chéité Mais, dans ce dernier cas, on doit veiller à ce que, en cours de fonctionnement, les variations éventuelles des caractéristiques physiques ou chimiques du liquide porteur utilisé ne perturbent pas sensiblement le fonctionnement du palier En particulier, il y a lieu d'éviter que le liquide porteur ne puisse se vaporiser à l'intérieur du palier. La présente invention a pour but de résoudre ce problème en minimisant le risque de vaporisation du liquide porteur dans un palier à fluide liquide. A cet effet, le palier à fluide liquide est caractérisé en ce qu'il comprend en outre, entre au moins l'une des extré- mités axiales dudit jeu et la chambre collectrice adjacente, une chambre d'expansion qui communique avec ladite chambre collectrice à travers un faible espace annulaire ayant une section de passage plus grande que celle dudit jeu et calculée -pour que la pression du liquide dans la chambre d'expansion soit plus grande que dans la chambre collectrice adjacente. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription qui va suivre et qui est relative à un palier hydros- tatique, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels Les figures 1 et 2 sont des vues en coupe respectivement axiale et transversale d'un palier hydrostatique conventionnel. La figure 3 est un diagramme montrant comment la pression du liquide porteur varie à l'intérieur du palier des figures l et 2 depuis le milieu du palier vers l'une de ses extrémités. La-figure 4 est un diagramme entropique T-S illustrant la détente du liquide porteur à l'intérieur du palier des figures l et 2. La figure 5 est une vue en coupe axiale d'un palier hydros- tatique conforme à la présente invention, montrant une première forme d'exécution de la chambre d'expansion dans la partie supérieure de la figure et une deuxième forme d'exécution de la chambre d'expansion dans la partie inférieure de la figure. La figure 6 montre, à plus grande échelle, la chambre d'expansion représentée dans la partie inférieure de la figure 5. Les figures 7 et 8 sont des vues similaires à la figure 6 montrant des variantes. Avant de décrire l'invention proprement dite, on expli- quera tout d'abord brièvement le fonctionnement d'un palier hydrostatique, réalisé selon l'art antérieur, a l'aide des figures l à 4 On supposera que le liquide porteur est de l'eau En effet, l'utilisation d'eau comme fluide porteur ap- parait avantageuse dans certains cas, notamment pour des ma- chines du genre "compresseur de vapeur", car elle permet d'in- tégrer les paliers à la machine et de simplifier grandement les joints d'étanchéité en évitant la présence de joints d'étanchéité relativement encombrants, de réalisation difficile et sujets à aléas en exploitation particulièrement quand l'en- ceinte de la machine est sous vide. Dans les figures l et 2, le numéro de référence l désigne un arbre, avec ou sans chemise, et le numéro 2 désigne une douille entourant l'arbre 1 avec un faible jeu 3 Dans les figures l et 2, le jeu 3 a été fortement exagéré car, en réali- té, il est beaucoup plus faible (de l'ordre de quelques diziè- mes ou de quelques centièmes de millimètres) Dans la figure 2, O désigne le centre de la douille 2 et de l'arbre l sous charge nulle, et O' désigne le centre de l'arbre l soumis à une charge F. Entre ses extrémités, la douille 2 comporte un certain nombre de chambres, par exemple huit chambres CH 1 à CH 8 comme montré sur la figure 2 Le liquide porteur, par exemple de l'eau, est amené sous pression par une pompe (non montrée dans les figures i et 2) dans les chambres CH 1 à CH 8 respectivement à travers des orifices calibrés d'injection l à La pression p O a la même valeur à l'entrée de tous les orifices O 1 à 08: c'est la valeur de la pression fournie par la pompe d'alimenta- tion De même, la pression p 5 de l'eau s'échappant du jeu 3 à l'une ou l'autre des extrémités de la douille 2 a la même valeur tout autour de l'arbre i: c'est la valeur de la pression qui règne dans les chambres collectrices (non montré dans les figures i et 2) habituellement prévuesaux deux extrémités du palier On notera toutefois que la valeur de la pression ps peut être la même ou être différente aux deux extrémités de la douille 2 selon que les environnements sont les mêmes ou sont différents aux deux extrémités du palier Par contre, la pression pi à la sortie de chacun des orifices O i (i = 1,2, 3, ,8) n'a pas la même valeur tout autour de l'arbre 1 En ef- fet, la pression Pl dépend de la valeur du jeu radial 3 entre l'arbre l et la douille 2, qui varie elle-même tout autour de l'arbre i du fait de 1 'excentrenent et qui conditionne essentiellement la perméabilité de l'espace parcouru par l'eau entre la région des orifices à a 8 et l'une ou l'autre des extrémités de la douille 2 -Plus la valeur du jeu radial 3 est petite, plus la valeur de la pression pi est grande. La figure 3 montre la répartition de la pression de l'eau à l'intérieur du palier Plus précisément, le diagramme du haut de la figure 3 montre la répartition de la pression le long de la génératrice supérieure de l'arbre l de l'orifice 01 à l'extrémité droite de la douille 2, tandis que le diagramme du bas de la figure 3 montre la répartition de la pression le long de la génératrice inférieure de l'arbre i de l'orifice 05 à l'extrémité droite de la douille 2 pl et p 5 désignent la pression de l'eau respectivement à la sortie de l'ori- fice 01 et à la sortie de l'orifice 05 Bien entendu, la répartition de la pression dans la moitié gauche du palier est similaire à celle représentée sur la figure 3 La différence des aires des triangles A, B, C et A', B', C' conditionne au premier chef laportance du palier qui équilibre la charge F. La figure 4 est un diagramme entropie S température T illustrant la détente de l'eau dans le palier des figures i et 2 La ligne V est la limite de vaporisation de l'eau. Les lignes Po, Pl, P 5 et PS sont des lignes isobares corres- pondant respectivement aux pressions po, pl, p 5 et Ps déjà mentionnés plus haut. Dans des conditions normales de fonctionnement, par exem- ple à la température tl, l'eau se détend suivant la ligne verticale Di de l'isobare P jusqu'à l'isobare Ps Par contre, si la température de l'eau s'élève accidentellement de t 1 à t 2, la ligne verticale de détente passe de D à D 2 et l'eau ne peut se détendre jusqu'à la pression Ps (isobare P) sans traverser la ligne limite de vaporisation V en un point E En conséquence, l'eau se vaporise par"flashing"(cavitation) dans le jeu 3 avant d'atteindre l'extrémité droite de la douille 2 (et aussi avant d'atteindre l'extrémité gauche de la douille 2 si la valeur de la pression ps à cette extrémité gauche est égale ou inférieure à la valeur de la pression ps à l'extrémité droite) Comme la valeur de la pression p 1 est inférieure à celle de la pression p 5, l'eau se vaporisera dans le jeu 3 en premier le long de la génératrice supérieure de l'arbre i et le "bouchon" de vapeur ainsi créé dans l'espace entre arbre 1 et douille 2 provoquera une augmentation de la valeur de la pres- 6 2512136 sion p 1, donc une baisse de la portance du palier Il en résultera soit un contact et un frottement entre l'arbre 1 ' et la douille 2 dans la partie inférieure du palier, soit une instabilité du palier qui conduira au même résultat ou à d'autres dégradations du palier. De même, si la pression p 5 à l'une des extrémités de la douille 2 s'abaisse accidentellement à une valeur correspon- dant par exemple à l'isobare P's de la figure 4, l'eau se détendra par exemple le long de la ligne verticale D 1 en traversant la ligne limite de vaporisation V au point E' avant d'atteindre l'isobare P's, avec les mêmes conséquences que celles qui ont été exposées plus haut. De tels incidents peuvent résulter pratiquement de toute excursion accidentelle de la ligne de détente due, à un accroissement de la température de l'eau arrivant aux orifices 01 à 8 ou à une chute de pression dans les chambres collectri- ces à l'une ou l'autre extrémité de la douille 2 Comme la pression est plus basse sur la génératrice supérieure de l'arbre 1, on conçoit que celle-ci est plus vulnérable aux incidents de marche, car les anomalies de pression aux extré- mités de la douille 2 ne cheminent que très peu le long de la génératrice inférieure de l'arbre 1 et n'ont donc que peu de conséquence le long de cette génératrice Afin de minimiser les risques de vaporisation de l'eau dans le jeu 3 entre l'ar- bre 1 et la douille 2, le palier selon l'invention est construit de manière à maintenir dans le jeu 3 une pression toujours suffisante pour que l'eau reste en phase liquide dans le palier On décrira maintenant comment ce résultat peut être obtenu en faisant référence aux figures 5 à 8. Dans la figure 5, les éléments qui sont semblables à ceux des figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes numéros de ré- férence Dans la figure 5, le numéro 4 désigne une chemise montée sur l'arbre 1 entre un épaulement 5 de celui-ci et un écrou de serrage 6 Le numéro 7 désigne des injecteurs ou des gicleurs définissant les orifices calibrés d'injection 1 à 08. Le numéro 8 désigne un carter de palier qui entoure la douille 2 et qui est pourvu d'une bride circulaire 9 permettant la fixation du palier à l'enveloppe 10 de la machine au moyen de vis 11 Le numéro 12 désigne un joint Sphérique par l'inter- médiaire duquel la douille 2 est montée dans le carter de palier 8 Le numéro 13 désigne une clavette coopérant avec une rainure 14 du carter de palier pour empêcher la douille 2 de tourner Les numéros 15, 16 et 17 désignent des joints d'étanchéité qui sont fixés au carter 8 et qui définissent avec lui et avec la chemise 4 des chambres collectrices 18, 19 et 20, respectivement, aux extrémités du palier Les orifi- ces des injecteurs 7 et les chambres collectrices 18, 19 et communiquent respectivement par des passages 21, 22, 23 et 24 formés dans le carter 8 (et aussi dans le joint sphérique 12 en ce qui concerne le passage 21) avec un circuit hydrau- lique désigné dans son ensemble par le numéro 25 Comme montré sur la figure 5, ce circuit 25 peut comporter des conduites d'évacuation 26, 27 et 28 reliant respectivement les passages 22, 23 et 24 à une pompe de refoulement 29 qui refoule l'eau vers un réservoir 30 à travers un dispositif réfrigérant 31. Une conduite d'alimentation 32, dans laquelle sont installés un filtre 33 et une pompe d'alimentation 34,relie le réservoir au passage 21 commun à tous les injecteurs 7 Le circuit hydraulique 25 peut en outre comporter de façon connue divers autres dispositifs de contrôle et de régulation, manomètres, accumulateurs de pression, etc Tous les éléments du palier qui ont été décrits ci-dessus sont bien connus et il n'est pas jugé utile de les décrire plus en détail. Conformément à la présente invention, afin de minimiser le risque de vaporisation de l'eau à l'intérieur du palier, il est prévu, au moins à l'une des extrémités de la douille 2, une chambre d'expansion 35 Deux manières de réaliser la chambre d'expansion 35 sont montrées respectivement dans la partie supérieure et dans la partie inférieure de la figure , étant entendu que, dans les deux cas, la chambre d'expan- sion 35 s'étend circonférentiellement de préférence sur 3600. Comme montré dans la partie supérieure de la figure 5, la chambre 35 est formée par une paroi 36 qui est située à distance axiale de l'extrémité de la douille 2 et qui s'étend à partir du carter 8 jusqu'à une faible distance de la chemi- se 4 en ménageant un espace annulaire 37 de faible dimension radiale. Comme montré dans la partie inférieure de la figure 5, la douille 2 comporte un prolongement axial 38 qui entoure la chemise 4 avec un faible jeu radial 37, et la chambre d'ex- pansion 35 est constituée par une gorge circulaire 39 formée dans la surface périphérique interne du prolongement 38 (voir aussi la figure 6) A titre de variante, au lieu d'être formée dans le prolongement 38, la gorge circulaire 39 peut être formée dans la chemise 4 comme montré dans la figure 7, ou dans l'arbre 1 si celui-ci est dépourvu de chemise. Dans tous les cas, la section de passage de l'espace annulaire 37 entre la chemise 4 et la paroi 36 ou le prolon- gement 38 est plus grande que celle du jeu 3 entre la chemise 4 et la douille 2 afin d'éviter que la paroi 36 ou le prolon- gement 38 ne se comporte comme un palier, et cette section de passage est calculée pour que-la pression de l'eau dans la chambre d'expansion 35 soit plus grande que dans la cham- bre collectrice adjacente 19. Dans des conditions-normales de fonctionnement, la dif- férence de pression entre la chambre d'expansion 35 et la chambre collectrice adjacente 19 est faible Par contre,-s'il apparaît des conditions anormales de fonctionnement (par exem- ple une chute de la pression dans la chambre collectrice 19 combinée ou non avec un réchauffement de l'eau, etc) provo- quant la vaporisation redoutée de l'eau, cette vaporisation se produira dans l'espace annulaire 37 et n'entraînera aucune anomalie à l'intérieur du palier, c'est-à-dire dans le jeu 3 entre la chemise 4 et l-a douille 2, car l'augmentation corré- lative de pression sera homogène à l'intérieur de la chambre Cette dernière se comporte en quelque sorte comme un accumulateur de pression jouant le rôle de tampon entre la chambre collectrice 19 et le jeu 3 du palier. L'intérêt de la disposition représentée dans la partie inférieure de la figure 5 et dans les figures 6 et 7 peut être soit de contrôler avec plus de précision la surpression relative entre la chambre d'expansion 35 et la chambre collectrice adjacente 19, soit d'homogénéiser les températures arbre- douille et eau-douille en accroissant les surfaces de contact à travers lesquelles se font les échanges de chaleur. Comme montré dans la partie supérieure de la figure 5 et aussi dans la figure 8, la surpression entre la chambre d'expansion 35 et la chambre collectrice adjacente 19 peut être aussi contrôlée par un orifice calibré 40 muni éventuel- lement d'un clapet représenté schématiquement en 41, qui s'ouvre comme une soupape de sûreté si la surpression dans la chambre d'expansion 35 devient exagérée, afin d'évacuer un plus grand volume de vapeur dans la chambre collectrice adjacente 19. Afin de mieux contrôler la pression à la sortie du jeu 3, on peut aussi disposer plusieurs chambres d'expansion 35 en série, par exemple en prévoyant une deuxième gorge cir- culaire 39, soit dans le prolongement 38 comme montré en trait mixte dans la figure 6, soit dans la chemise 4, ou encore en prévoyant une deuxième paroi semblable à la paroi 36 et espacée axialement de celle-ci Dans le même but, on peut aussi disposer en série une chambre d'expansion 35 formée par une gorge circulaire 39 dans un prolongement 38 de la douille 2 (o la détente suit une loi d'écoulement laminaire dans l'espace 37 entre la chemise 4 et le prolonge- ment 38) et une chambre d'expansion 35 formée par une paroi 36 (o la détente suit une loi d'écoulement turbulent) comme montré dans la figure 8. Il est du reste bien entendu que les formes d'exécution de la présente invention qui ont été décrites ci-dessus ont été données à titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de la présente invention C'est ainsi notamment que la ou les parois 36 peuvent être solidaires de la douille 2 au lieu d'être solidaires du carter 8 De même, au lieu d'être formées dans un prolongement 38 de la douille 2, la ou les gorges circulaires 39 peuvent être formées dans la surface périphérique intérieure d'un manchon solidaire du carter 8 et entourant la chemise 4 avec un faible jeu En outre, bien que dans la description qui précède, une ou plusieurs cham- bres d'expansion 35 sont prévues seulement à l'extrémité droite du jeu 3, il va de soi qu'une ou plusieurs chambres d'expansion peuvent être aussi prévues à l'extrémité gauche du jeu 3 s'il y a un risque de vaporisation du liquide porteur dans la moitié gauche de ce jeu 3 En outre, bien que dans la description qui précède il soit fait plus particulièrement référence à un palier hydrostatique, l'invention est également applicable aux pa- liers hydrodynamiques qui, quoique moins sensibles aux risques de vaporisation présentés par les paliers hydrostatiques, réa- gissent en fait de manière strictement analogue Enfin, l'inven- tion est également applicable aux paliers utilisant tout autre corps à l'état liquide comme fluide porteur, par exemple ammoniac, fréon, sodium liquide, etc R E V E ND I C A T I O NS 1. Palier à fluide liquide comprenant un élément cylindrique interne( 1,4) et un élément externe ( 2) en forme de douille entourant avec un faible jeu ( 3) l'élément cylin- drique interne ( 1,4), l'un ( 2) des deux éléments comportant en- treses extrémités plusieurs chambres(CH 1 à CH 8) qui sont régulièrement réparties circonférentiellement dans sa surfa- ce périphérique tournée vers l'autre élément ( 1,4) et qui sont pourvues d'orifices d'injection ( 01 à 08) pour un liqui- de porteur, un carter de palier ( 8) avec joints d'étanchéité LC ( 15, 16, 17) formant avec les éléments interne et externe ( 1,4 et 2) des chambres collectrices ( 18, 19, 20) pour le liquide porteur sortant dudit jeu ( 3) respectivement aux extrémités du palier, et un circuit hydraulique ( 25) pour recycler ledit liquide porteur desdites chambres collectrices ( 18, 19, 20) à ladite pluralité de chambres (CH 1 à CH 8), caractérisé en ce qu'il comprend en outre, entre au moins l'une des extrémités axiales dudit jeu ( 3) et la chambre collectrice adjacente ( 19), une chambre d'expansion ( 35) qui communique avec ladite chambre collectrice ( 19) à travers un faible espace annulaire ( 37) ayant une section de passage plus grande que celle dudit jeu ( 3) et calculée pour que la pression du liquide dans la chambre d'expansion ( 35) soit plus grande que dans la chambre collectrice adjacente ( 19). 2. Palier à fluide liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs chambres d'expan- sion ( 35) en série entre ladite extrémité axiale du jeu ( 3) et la chambre collectrice adjacente ( 19). 12 2512136 3. Palier à fluide liquide selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite chambre d'expansion( 35) est formée par une paroi ( 36) qui est située à distance axia- le de l'une des extrémités de l'élément externe ( 2) et qui s'étend à partir dudit carter ( 8) jusqu'à une faible distance de l'élément interne ( 1,4). 4. Palier à fluide liquide selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite paroi ( 36) comporte un orifice calibré ( 40) reliant la chambre d'expansion ( 35) à la chambre collectrice adjacente ( 19). 5. Palier à fluide liquide selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une soupape de sûreté ( 41) est associée audit orifice ( 40). 6. Palier à fluide liquide selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit élément externe ( 2) en for- me de douille comporte un prolongement axial ( 38), et en ce que lachambre d'expansion ( 35) est constituée par une gorge circulaire ( 39) formée dans l'une des surfaces périphériques interne et externe respectivement dudit prolongement ( 38) et de l'élément interne ( 1,4).