Brevet FR2516996A1 — publié le 19830527

L'invention se rapporte en général aux paliers hydro- dynamiques à film de fluide et elle concerne plus particu- lièrement des paliers employant une ou plusieurs feuilles pour établir et maintenir un film de fluide à l'intérieur du palier et un élément de support élastique accommodant des déformations de la feuille et des excursions de l'élé- ment rotatif du palier. Des efforts récents cherchant à perfectionner les paliers à grande vitesse, tels que les paliers utilisés dans les unités à turbocompresseur employées dans les machines de circulation d'air modernes pour les systèmes de refroidissement et de ventilation d'avion ont mené au développement des paliers hydrodynamiques à film de fluide| tels que les paliers décrits dans les brevets des Etats- Unis d'Amérique 3 635 534, 4 082 375, 4 116 503, 4 133 5851 et 4 247 155 Généralement, les paliers hydrodynamiques à film de fluide, tels que les paliers décrits dans les bre- vets des Etats-Unis d'Amérique mentionnés ci-haut, fonc- tionnent selon le principe de l'établissement et du main- tien d'une couche de film de fluide sous pression entre un élément rotatif, tel qu'un arbre ou un élément d'appui ro- tatif, et un élément adjacent, telle qu'une feuille lisse ou un moyen pareil, cette couche ou film de fluide, parfois aussi désignée comme film de fluide cunéiforme, fournissant un support lubrifié pour l'élément rotatif Souvent, un moyen de support ou un ressort élastique est disposé entre la feuille et l'élément stationnaire (parfois aussi désig- né comne coussinet, élément de retenue ou base) pour accom- moder les déformations de la feuille dues à sa pressurisa- tion par la couche ou film de fluide et les excursions de l'élément rotatif dues à la charge appliquée au palier et aux déséquilibres de l'élément rotatif,telsque le batte- i ment ou des effets semblables. i 35 Selon le palier radial à feuilles élastiques du bre- vet des Etats-Unis d'Amérique 4 133 585, la feuille et 1 ' élément de support élastique sont combinés en une longueur de feuille continue enroulée en plusieurs couches, la cou- che intérieure comportant une surface d'appui lisse et une couche extérieure ayant une configuration quasi polygonale qui fonctionne comme élément de support élastique, accommo 4- dant des excursions du tourillon dues à la charge et aux déséquilibres Cette construction avec une feuille à plu l sieurs couches obtenue par la feuille enroulée est avanta-g geuse sous certains aspects Par exemple, une feuille à | plusieurs couches est conçue pour un meilleur amortisse- ment par frottement ou par effet de Coulomb pour la dissi-' pation de l'énergie particulièrement appropriée pour des paliers hydrodynamiques En plus, la construction à plu- sieurs couches offre aussi une plus grande tolérance aux excursions du rotor, une bonne accommodation d'une expan- sion différentielle des feuilles, une accommodation de dé-' fauts d'alignement et d'imperfections des feuilles résul t tant de la fabrication, une tolérance aux contaminents et de bonnes caractéristiques à l'usure à vitesses élevées, j et également lors de l'arrêt et du démarrage Alors que la' construction à feuilles enroulées en plusieurs couches offre les avantages mentionnés ci-avant, des perfectionne-I ments de ces paliers en ce qui concerne la facilité de fa-j brication, les caractéristiques d'amortissement, la facili- té d'assemblage et de démontage en vue du remplacement de | la feuille, la résistance au télescopage de la feuille et la facilité de prévoir des couches de feuilles à différen- tes épaisseurs sont continuement recherchés. La présente invention a donc pour objet de fournir un palier hydrodynamique perfectionné à film de fluide avec une garniture à plusieurs couches de feuille ayant une meilleure résistance au télescopage des couches de feuille, permettant une fabrication, un assemblage et un démontage ainsi qu'un remplacement facile des couches de feuille et ayant un amortissement amélioré par frottement * ou par effect de Coulomb. Pour obtenir ces avantages recherchés le palier hy- drodynamique à film de fluide selon l'invention qui com- porte un élément de retenue stationnaire, un élément rota- tif formant un espace avec l'élément stationnaire, une garniture disposée dans cet espace et comportant au moins un élément de feuille lisse et un élément de support élas- tique, est caractérisé en ce que cette garniture est fixée à l'élément de retenue de sorte que lors de l'amortissement par frottement à sec ces éléments frottent en direction essentiellement circonférentielle pour une meilleure dissi- pation de l'énergie Selon le mode de réalisation préféré le palier comporte un second élément de feuille concen- trique au premier élément de feuille et à l'élément de support élastique, ces deux éléments de feuille et l'élé- ment de support étant formés, pour fabrication facile, par des formes cylindriques ouvertes Le montage et le démon- tage pour remplacement de la garniture est facilité par la' provision d'une rainure pratiquée dans le côté intérieur de l'élément de retenue, les deux éléments de feuille et l'élément de support élastique étant fixés à une seule languette reçue dans cette rainure pour retenir la garni- ture dans le palier L'utilisation destrois éléments dis- tincts formant la garniture, au lieu d'un seul élément en-' roulé, élimine le télescopage de la feuille. L'invention sera maintenant décrite en plus grand détail en référence aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est une vue d'extrémité d'un palier hy- drodynamique radial à film de fluide selon la présente in- vention. La figure 2 est une vue d'extrémité agrandie frag - mentaire d'un autre mode de réalisation du palier hydro- dynamique selon l'invention. La figure 3 est une vue d'extrémité d'encore une autre modification du palier hydrodynamique de la présente invention. La f'igure 4 est une vue d'extrémité d'un quatrième mode de réalisation du palier hydrodynamique de la présent invention. Selon la figure 1 le palier radial hydrodynamique 10 à film de fluide de la présente invention comporte un élé- ment de retenue ou un coussinet stationnaire 15, aussi dé- signé parfois comme coquille ou cage, qui entoure un arbre ou un tourillon rotatif 20, par exemple d'un rotor tournant à grande vitesse, d'un équipement, tel qu'un mo- teur électrique ou un rotor à ailettes à grande vitesse, pour utilisation, par exemple, dans un turbo-compresseur _-4- à vitesse élevée tel qu'il est employé dans les machines de circulation d'air pour les systèmes de refroidissement et de pressurisation de compartiments d'avion Un premier élément 25 de feuille lisse est disposé à l'intérieur de l'espace ou du jeu 30, cette feuille étant normalement de forme cylindrique ouverte ou fendue (le long d'un côté) et étant attachée le long d'un bord de son ouverture à un côté d'une languette 35 montée à glissement dans une rai- nure 40 pratiquée dans l'élément de retenue 15 Un élémentl de retenue ou ressort élastique ondulé-45 est disposé dans I l'espace 30 entre la feuille 25 et l'élément de retenue i , le ressort lui aussi étant essentiellement de forme cylindrique ouverte ou fendue (le long d'un côté) et, de f même que la feuille 25, est fixé le long de son bord à la, languette 35 à une face de celle-ci opposé à laquelle la feuille 25 est fixée Cet attachement de la feuille et Adu ressort à la languette 35 facilite la fabrication et le maintien de même que l'enlèvement de la feuille et du ressort pour remplacement par une feuille et un ressort à caractéristiques différentes pour choisir les propriétés du palier, tel que sa portance, l'amortissement ou des caractéristiques pareilles. Le palier 10 fonctionne selon le principe de la for- mation d'une pression hydrodynamique dans la partie de 1 ' espace 30 entre le tourillon 20 et la feuille 25 En théo- rie, si une charge n'est pas appliquée, les centres géomé-J triques du tourillon 20 et des cylindres formés par la feuille 25 et l'élément de retenue 15 coïncident Cepen- dant, sous les conditions de fonctionnement actuelles, il y a toujours une certaine charge appliquée par le touril- lon 20 au palier, ce qui déplace le centre du tourillon excentriquement par rapport au centre de la feuille 25 et de l'élément de retenue 15 formant ainsi avec la feuil- le 25 un espace cunéiforme La rotation du tourillon cause un mouvement en orbite du centre géométrique du tourillon autour du centre géométrique de la feuille, causant ainsi également un mouvement en orbite du jeu cunéiforme autour du centre de la feuille Le spécialiste sait que ce posi- tionnement excentrique de l'arbre par rapport à la feuill et la rotation continue de l'arbre causent l'établissement et le maintien de régions à haute et à faible pression entre l'arbre et la feuille provoquant ainsi un courant de: fluide de la zone à haute pression vers la zone à basse pression résultant en une compression du fluide entre 1 ' arbre et la feuille, ce phénomène formant un film de fluide supportant les charges radiales appliquées au palier et empêchant le tourillon de venir en contact avec la feuille, Le ressort sert généralement à remplir deux buts différents En premier lieu il fournit un support élas- tique déformable qui aide à la formation du film de fluidel cunéiforme décrit ci-avant pour accommoder certaines dé- formations de la feuille dues à sa pressurisation par le film de fluide Le ressort détermine éqalement la portancei- totale du palier et permet d'accommoder des excursions du tourillon dues aux déséquilibres et à la charge appliquée au palier par le tourillon. Tel qu'il est connu au spécialiste, les perturbations du tourillon 20 sont amorties par compression du film de fluide entre le tourillon et une feuille adjacente, par compression des ondulations de l'élément de support élas- tique ou du ressort 45 et par amortissement par effet de Coulomb ou par frottement Pour un meilleur amortissement par effet de Coulomb il était usuel de prévoir plusieurs couches de feuille dans le palier entre le tourillon et l'élément de retenue, un exemple pour une telle construc | tion à plusieurs couches de feuille est décrit dans le brevet américain 4 133 585 mentionné ci-avant selon lequel une seule feuille à configuration enroulée est utilisée. Considérant encore la figure 1, selon la présente inven- tion, pour augmenter l'amortissement par effet de Coulomb ou par frottement, un second élément de feuille 50 est prévu radialement à l'intérieur du premier élément de feuille 25 et du ressort 45 Ce second élément est concen- trique par rapport à l'élément de feuille 25 et au ressort Tel que représenté, le second élément de feuille 50, de même que le ressort et le premier élément de feuille, a une forme cylindrique ouverte et il est fixé à une pre- mière de ces extrémités à la surface interne de la lan- guette 35 De cette façon des perturbations du tourillon sont amorties au moins en partie par amortissement par effet de Coulomb ou par frottement entre le premier et le second élément de feuille 25 et 50 et aussi entre le pre- mier élément de feuille 25 et les sommets du ressort 45. Par la présente invention l'amortissement par effet de Coulomb ou par frottement mentionné ci-avant est consi- dérablement accru par le montage des éléments de feuille et du ressort à l'élément de retenue 15 de sorte que l'un ou plusieurs de ces éléments s'étend de sa première extré-i mité (l'extrémité attachée) circonférentiellement en une direction opposée à un élément adjacent En conséquence, il apparaît que la pression du film de fluide entre le l tourillon 20 et la première feuille 50, pression qui agit radialement vers l'extérieur, pousse cet élément de feuille vers l'extérieur en ouvrant le cylindre formé par cette feuille en transmettant un mouvement essentiellement dans le sens de l'aiguille d'une montre à ce cylindre L'amor- tissement par effet de Coulomb ou par frottement est ob | tenu par frottement du second élément de feuille 50 ou de f l'élément de feuille interne sur le premier élément de feuille ou l'élément de feuille externe 25 Cet amortisse-f ment par frottement est accru par l'extension du premier I élément de feuille 25 en direction circonférentielle oppo-| sée au second élément de feuille Considérant encore la figure 1, l'on voit que lorsque la pressurisation du film de fluide pousse le second élément de feuille vers l'exté- rieur, elle pousse aussi le premier élément de feuille ( 1 ' élément de feuille extérieur) vers l'extérieur causant cet élément de feuille de s'ouvrir et de mouvoir dans la direc s tion contraire aux aiguilles d'une montre, c'est-à-dire en une direction opposée à celle du second élément de feuille Il sera apprécié par le spécialiste que le mouvement des éléments de feuille en directions opposées fournit une plus importante dissipation de l'énergie et un meilleur amortissement qu'un mouvement dans la même direction cir- conférentielle, ce qui serait le cas si les couches de feuille s'étendaient dans la même direction de leur point de montage ou si les couches de feuille étaient formées par un seul élément de feuille enroulé. Si l'on regarde encore la figure 1, l'on voit égale- ment que le mouvement vers l'extérieur des feuilles pressu- risées par le film de fluide pousse les feuilles contre le ressort, causant ce ressort de s'ouvrir et de mouvoir dans la direction du mouvement des aiguilles d'une montre Ce- pendant, tel que décrit ci-avant, parce que le premier élé- ment de feuille, lorsque pressurisé, se déplace dans une direction généralement contraire au mouvement des aiguilles d'une montre, l'on obtient un amortissement par effet de Coulomb ou par frottement accru dû auxmouvementsopposésdu ressort et du premier élément de feuille à cause des directions d'orientation circonférentielle opposées de ces| éléments à partir de leur point de montage | Tel que mentionné ci-avant, les feuilles 25 et 50 etl le ressort 45 sont attachés à la languette 35 La manière de fixation de ces éléments à cette languette dépend, évi- demment, du matériau utilisé pour les feuilles, le ressort et la languette; le soudage ou le brasage étant préféré au cas o ces éléments consistent en matière métallique. Selon le mode de réalisation préféré, les feuilles et le ressort sont fabriquées d'Inconel(R) et la languette est fabriquée d'acier. Sur la figure 2 un autre mode de réalisation du pa- lier hydrodynamique à film de fluide selon la présente in- vention est représenté Selon ce mode de réalisation la feuille interne 50 est attachée à la face gauche de la languette 35 et la feuille externe 25 est attachée à la face supérieure ou interne de la languette par un moyen de fixation approprié, tel que décrit ci-avant Le ressort est retenu, selon ce mode de réalisation, par contact de surface entre la languette et l'élément de retenue 15, mais il n'est pas attaché positivement à l'un ou l'autre de ces éléments L'on a trouvé que tel montage du ressort réduit la criticalité de la disposition angulaire de la partie d'extrémité attachée du ressort par rapport au res- te du ressort pour un fonctionnement approprié du palier, contribuant ainsi à la facilité de fabrication du palier. Aussi les figures 3 et 4 représentent d'autres modes de réalisation de la présente invention Selon la figure 3, le premier élément de feuille est disposé radialement à 1 ' intérieur du second élément de feuille, dans ce cas seule- ment les deux éléments de feuille s'étendent en directions circonférentielles opposées l'un par rapport à l'autre, le second élément de feuille 50 (l'élément de feuille ex- terne) s'étend dans la même direction circonférentielle que le ressort adjacent 45 En conséquant, il ressort que pour un ressort et des feuilles ayant des propriétés iden- tiques à celles du palier selon la figure 1, ces éléments du palier selon la figure 3 offriront un amortissement par effet de Coulomb ou par frottement quelque peu réduit parce que l'élément de feuille externe et le ressort se dé 4 placent dans la même direction circonférentielle lorsqu'ils s'ouvrent sous pression Bien entendu, pour certaines char- ges, un amortissement plus faible peut être désirable et l'on peut voir que l'attachement du ressort et des feuillet à la languette 35 permet de changer facilement les garni- tures du palier pour adapter l'amortissement du palier aux| conditions de portance du palier} Selon le mode de réalisation de la figure 4, le pre-1 mier et le second élément de feuille s'étendent de leur point de montage à la languette 35 dans la direction cir j conférentielle du mouvement des aiguilles d'une montre Enl conséquence, seulement le ressort 45 et le premier éléments de feuille 25 s'étendent en directions opposées pour 1 ' accroissement de l'amortissement par effet de Coulomb, 1 ' amortissement par effet de Coulomb entre ces feuilles étant quelque peu inférieur à celui qu'on peut obtenir par des feuilles s'étendant l'une par rapport à l'autre en direc- tions opposées, tel que représenté sur les figures 1 et 2. Les dimensions de l'élément de retenue, du tourillon, des feuilles et du ressort dépendent, évidemment, du cas d'application spécial et des charges à transmettre par le palier Par exemple, lorsque le palier est employé dans uni unité de turbo-compresseur tournant avec 50 000 jusqu'à 000 tours par minute pour un système de circulation et de conditionnement d'air, les feuilles 25 et 50 ont une épaisseur de l'ordre de 0,089 à 0, 102 mm et le ressort 45 _ 59 _ a une épaisseur d'approximativement 0,152 à 0,178 mm Le palier a un diamètre d'environ 5,08 cm et une longueur d' approximativement 5,84 cm. En conséquence, l'on comprend qu'avec un palier ra- dial hydrodynamique à film de fluide construit selon la présente invention, l'amortissement par effet de Coulomb ou par frottement est accru Les éléments de feuille et le ressort sont facilement attachés à la languette 35 par une technique de fixation appropriée convenable pour une fabrication facile La forme simple, généralement cylin- drique et ouverte de ces éléments contribue également à leur fabrication simple et économique Tel que mentionné ci-avant, le moyen à languette et rainure pour le montage f de la garniture à feuilles et ressort permet le remplace- ment facile de cette garniture pour pouvoir facilement | adapter les caractéristiques du palier à différentes condil tions de charge Parce que les éléments de feuille et le ressort sont des éléments distincts et ne sont pas enroulée par un seul élément de feuille, le télescopage de ces éléments da e la charge axiale est minimiss et ne peut pas donner lieu à des endommagements possibles des feuille par contact de frottement avec le tourillon En outre, 1 ' utilisation de feuilles distinctes au lieu d'une seule feuille enroulée permet d'employer des feuilles à diffé j rentes caractéristiques, c'est-à-dire à différentes épais- seurs, élasticités etc pour une sélection précise des pro- priétés du palier. - REVENDICATIONS 1 Palier radial hydrodynamique à film de fluide comportant un élément de retenue stationnaire ( 15), un tourillon rotatif ( 20) formant avec l'élément stationnaire un espace-annulaire ( 30), un premier élément de feuille lisse ( 25) essentiellement cylindrique disposé dans cet espace, le tourillon étant supporté sur une couche d'un film de fluide pressurisé maintenu par mouvement rotatif relatif entre le tourillon et le premier élément de feuil-f le, et comportant en outre un élément de support élastique. ( 45) essentiellement cylindrique disposé dans ledit espace' de façon essentiellement concentrique par rapport au pre- mier élément de feuille et radialement à l'extérieur de celui-ci, l'élément de support élastique accommodant la déformation de l'élément de feuille due à sa pressurisa- tion par la couche du film de fluide et des excursions du l tourillon dues aux déséquilibres du tourillon et aux char-| ges appliquées par celui-ci au palier, caractérisé en ce que le premier élément de feuille ( 25) et l'élément de support élastique ( 45) sont fixés à l'élément de retenue ( 15) de sorte qu'un amortissement par effet de Coulomb ou par frottement soit obtenu par contact de frottement entre l'élément de feuille et l'élément de support élas- tique en directions circonférentielles opposées de ces élé ments. 2 Palier radial hydrodynamique à film de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément de feuille lisse ( 25) et l'élément de support élas- tique ( 45) sont fixés à leurs premières extrémités audit élément de retenue ( 15) et s'étendent de leurs premières extrémités en directions circonférentielles opposées. 3 Palier radial hydrodynamique à film de fluide selon la revendication 1, caractérisé par un second élé- ment de feuille lisse ( 50) essentiellement cylindrique disposé dans ledit espace ( 30) radialement à l'intérieur * de l'élément de support élastique ( 45) et de façon concen- trique par rapport au premier élément de feuille ( 25) et ledit élément de support élastique ( 45), ledit second élé- ment de feuille ( 50) étant fixé audit élément de retenue j l 1 '' ( 15) de sorte qu'un amortissement par effet de Coulomb ou par frottement soit effectué au moins en partie par con- tact de frottement entre le second élément de feuille lisse ( 50) et au moins l'un du premier élément de feuille ( 25) et de l'élément de support élastique ( 45) en directions circonférentielles opposées de ces éléments. 4 Palier radial à film de fluide hydrodynamique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier, et le second élément de feuille lisse ( 25,50) et l'élément, de support élastique ( 45) sont fixés à leurs premières ex-, trémités audit élément de retenue ( 15) et s'étendent de ces premières extrémités en directions circonférentielles, le second élément de feuille lisse ( 50) s'étendant en une direction circonférentielle opposée à au moins l'un du premier élément de feuille lisse ( 25) et de l'élément de support élastique ( 45). Palier radial hydrodynamique à film de fluide selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second j élément de feuille ( 50) s'étend en direction circonféren- tielle opposée au premier élément de feuille ( 25) et est situé radialement à l'intérieur de celui-ci. 6 Palier radial hydrodynamique à film de fluide selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second élément de feuille ( 50) s'étend en une direction circon- férentielle opposée au premier élément de feuille ( 25) et est situé radialement à l'extérieur de celui-ci. 7 Palier radial hydrodynamique à film de fluide i selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second élément de feuille ( 50) s'étend en une direction circonfé- rentielle opposée à l'élément de support élastique ( 45). 8 Palier radial hydrodynamique à film de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément f de retenue ( 15) comporte une rainure ( 40) et en ce que le premier élément de feuille ( 25) et l'élément de support élastique ( 45) sont fixés à leurs premières extrémités à une languette ( 35) reçue dans cette rainure 9 Palier radial hydrodynamique à film de fluide selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de retenue ( 15) comporte une rainure ( 40), en ce que le premier élément de feuille ( 25) et l'élément de support élastique ( 45) sont attachés à leurs premières extrémités à une languette ( 35) reçue dans cette rainure ( 40), le second élément de feuille ( 50) n'étant pas attaché à cette; languette ( 35) mais étant retenu à une première de ces ex- trémités par contact de surface entre la Languette et la rainure. Palier radial hydrodynamique à film de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément-de feuille ( 25) et l'élément de support élastique ( 45) sont chacun fendus longitudinalement. 11 Palier radial hydrodynamique à film de fluide selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premierl et le second élément de feuille ( 25, 50) et l'élément de support élastique ( 45) sont chacun fendus longitudinall Ebnt