Brevet FR2516997A1 — publié le 19830527

L'invention concerne généralement les paliers hydro- dynamiques à film de fluide et plus particulièrement elle se rapporteaux 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. Les 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 d'installations de refroidissement et de ventilation d'avions, ont mené au développement des paliers hydrodynamiques à film de fluide" du type décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique 3 635 534, 4 082 375, 4 116 503, 4 133 585 et 4 247 155. Généralement, les paliers hydrodynamiques à film de fluide| décrits dans les brevets mentionnés ci-avant fonctionnent selon le principe de l'établissement et du maintien d'une couche ou d'un film de fluide pressurisé entre un élément rotatif, par exemple un arbre ou élément d'appui rotatif, et un élément adjacent, tel qu'une feuille lisse ou un moyen pareil, cette couche ou film de fluide, parfois dé- signé comme film de fluide cunéiforme, fournissant un sup-, port lubrifié pour l'élément rotatif Souvent, un ressort | ou un élément de support élastique est disposé entre la feuillle et un élément stationnaire (parfois désigné aussi' comme coussinet, élément de retenue ou base) pour accommo- der les déformations de la feuille à cause de sa pressuri- sation en vue de maintenir une géométrie optimale de la couche ou du film de fluide, afin de fournir un support pour l'élément rotatif et les feuilles résistant à la charge appliquée au palier et aux déséquilibres, tel que les battements ou des effets semblables Il sera apprécié par le spécialiste que pour fournir le support nécessaire pour l'élément de rotation, l'élément de support élastique doit être assez rigide pour résister de façon adéquate à des excursions de l'arbre dues à la charge appliquée et aux déséquilibres normaux Cependant, cette rigidité ne doit pas aller aux dépens de l'amortissement, de la stabi- _ lité et du rendement du palier. La présente invention a pour objet de fournir un palier hydrodynamique à film de fluide Perfectionné avec une meilleure portance, un amortissement approprié de son élément rotatif, de faibles pertes de puissance pour toutes les vitesses de fonctionnement et dont l'élément rotatif reste stable à l'intérieur du palier dans la gamme entière des vitesses de fonctionnement. Pour atteindre cet objectif le palier hydrodynamique, à film de fluide selon la présente invention, ayant un élément de retenue stationnaire, un élément rotatif for- mant avec l'élément stationnaire un espace, un ou plusieurs éléments de feuille situés dans cet espace et un élément de support élastique disposé entre l'élément de feuille eti l'élément stationnaire pour accommoder les déformations delà l'élément de feuille dues à sa pressurisation ainsi que j les excursions de l'élément rotatif lors du fonctionnement du palier, est caractérisé en ce que l'élément de support élastique a une constante de rappel bilinéaire L'élément de support élastique a une première faible constante de | rappel pour obtenir un amortissement adéquat avec une | perte de puissance minimale sous toutes les conditions de fonctionnement Aux déformations causées par les conditions de fonctionnement à haute charge, l'élément de support} élastique a une constante de rappel beaucoup plus élevée pour une portance plus élevée et pour une meilleure résis- tance aux excursions de l'élément rotatif. L'invention sera maintenant expliquée en plus grand détail en référence aux dessins annexés, sur lesquels: | La figure 1 est une vue d'extrémité d'un palier hy-j drodynamique à film de fluide employant le principe de la présente invention La figure 2 est une vue de côté en élévation d'un élément de support élastique employé dans le palier de la présente invention. La figure 3 est une vue de côté en élévation d'un autre mode de réalisation d'un élément de support élastique employé dans le palier de la présente invention. La figure 4 est une représentation graphique d'une constante de rappel bilinéaire associée aux éléments de support élastiques selon les figures 2 et 3. Sur la figure 1 on a représenté un palier hydrodyna- mique radial 10 à film de fluide selon la présente inven- tion, ce palier comportant un élément stationnaire ou cous- sinet 15, désigné aussi parfois comme coquille ou élément de retenue, qui entoure un arbre rotatif ou tourillon 20 destiné à être relié à un rotor à vitesse élevée d'une ma-, chine telle qu'un moteur électrique ou un rotor à ailettes tournant à vitesse élevée pour utilisation dans un turbo- compresseur fonctionnant à grande vitesse, par exemple du type employé dans les machines à circulation d'air pour les systèmes de refroidissement et de pressurisation des com- partiments d'avion Un élément de feuille 25 lisse est disposé à l'intérieur de l'espace 30, cette feuille étant essentiellement cylindrique et fixée le lona de l'un de ses bords à un côté d'une lancuette 35 montée à alissement dans une rainure 40 usinée dans l'élément de retenue 15. Un ressort ou un élément de support élastique 45 longitu- dinalement flexible est disposé à l'intérieur de l'espace entre la feuille 25 et l'élément de retenue 15, ce res-1 sort étant de forme essentiellement cylindrique et, de façon pareille à la feuille 25, est fixé le long de l'un de ses bords à la languette 35 sur une face de celleci opposée à laquelle la feuille 25 est attachée Cet attache- ment de la feuille et du ressort à la languette 35 permet une fabrication et un entretien facile et facilite aussi l'enlèvement de la feuille et du ressort pour lesremplacer par des feuilles et des ressorts ayant des caractéristiques différentes pour pouvoir choisir les caractéristiques du palier, tel que sa portance, son atténuation ou des carac- téristiques semblables. Le palier 10 fonctionne selon le principe de la for- mation d'une pression hydrodynamique dans la région de 1 ' espace 30 située entre le tourillon 20 et la feuille 25. Sous les conditions théoriques d'absence de charge, les centres géométriques du tourillon 20, du cylindre formé par la feuille 25 et de l'élément de retenue coïncident tous Cependant, sous les conditions de fonctionnement -4- actuelles, il y a toujours une charge appliquée au touril- lon 20 qui déplace le centre de celui-ci excentriquement par rapport au centre de la feuille 25 et de l'élément de retenue 15 pour former ainsi avec la feuille 25 un espace cunéiforme En rotation le centre géométrique du tourillon se déplace en orbite autour du centre géométrique de la feuille, causant ainsi un déplacement en orbite de l'espace cunéiforme autour du centre de la feuille La-disposition excentrique de l'arbre par rapport à la feuille et la rota- tion continue de l'arbre causent l'établissement et le maintien de régions à haute pression et à faible pression dans l'espace cunéiforme, l'écoulement de fluide de la région à haute pression vers la région à faible pression établissant le film de fluide qui supporte le tourillon et empêche ainsi le contact entre le tourillon et la feuil- le. Le ressort est normalement prévu pour deux buts dif-' férents En premier lieu, il fournit un support élastique et déformable qui aide à la formation du film de fluide décrit ci-avant en accommodant certaines déformations de la feuille dues à sa pressurisation par le film de fluide: Le ressort fournit également l'élasticité et la portance générale du palier, y compris l'accommodation des excur i sions du tourillon à cause de la charge appliquée et de ses déséquilibres. Ces deux exigeances demandées au ressort sont géné- ralement incompatibles pour un ressort ayant une seule constante de rappel Par exemple, pour fournir un amortis-1 sement suffisant pour accommoder la déformation de la feuille et pour la formation des coins de fluide, l'on a besoin d'un ressort avec une constante de rappel relative- t ment faible Pour fournir une portance adéquate et pour limiter de façon adéquate les excursions de l'élément rota- tif, le ressort doit posséder une constante de rappel rela-. tivement élevée Cependant, une telle constante de rappel élevée est défavorable en ce qui concerne l'amortissement adéquat et, en conséquence, accentue les instabilités de l l'élément rotatif En outre, une telle constante de rappel| élevée a la tendance d'empêcher les déformations de la feuille sous pression et fournit ainsi des espaces extrê- mement faibles pour le film de fluide entre l'élément rota- tif et la feuille De tels espaces faibles augmentent la sollicitation au cisaillement à l'intérieur du film de fluide contribuant ainsi à des pertes de puissance inhéren- tes associées au palier. En conséquence, il ressort que pour l'atténuation et la stabilité le ressort doit avoir une constante de rappel relativement faible, alors que pour une portance et pour une limitation adéquate des excursions de l'arbre, le ressort doit avoir une constante de rappel relativement élevée Selon le palier de la présente invention une con- stante de rappel double ou bilinéaire est fournie par un seul ressort. Tel que représenté sur les figures 1 à 2, le ressorti a une forme périodique comportant une première et une seconde série d'ondulations, la première série d'ondula- tions 50 ayant une première (faible) constante de rappel et la seconde série d'ondulations 55 ayant, avec les Pre- mières ondulations 50 une seconde constante de rappel plus élevée Tel que représenté sur la figure 1, chacune des ondulations de la seconde série est disposée entre deux ondulations de la première série qui contactent l'élément l stationnaire 15 L'amplitude des secondes ondulations (la distance entre le sommet de l'ondulation et un axe s'éten- dant par le centre du ressort) est considérablement infé i rieur à celle des premières ondulations En conséquence, il ressort que, dans le cas d'une faible charge radiale, la déformation du ressort a lieu seulement aux premières ondulations, les secondes ondulations ne venant pas en contact avec l'élément stationnaire, ni avec l'élément de feuille La déformation de la feuille provoque une déforma tion facile du ressort pour une meilleure formation du fluide de film et un amortissement et une stabilité élevés de l'élément rotatif Cependant, sous les conditions d'une forte charge radiale, le ressort est déformé jusqu'à un degré que les premières et les secondes ondulations vien- nent en engagement avec l'élément stationnaire du palier. Cela fournit une augmentation remarquable de la constante , , e de rappel pour limiter les excursions de l'arbre dues à lai charge appliquée et de la résistance aux instabilités, tel' que le battement ou des effets semblables. Tel que représenté sur la figure 3, chaque première ondulation 60 peut comporter une série alongée de secondes ondulations 65 En d'autres mots, le ressort est formé par: la superposition d'un premier train d'ondes périodiques formant les secondes ondulations sur un second train d' ondes périodiques formant les premières ondulations, le premier train d'ondes a une fréquence beaucoup plus élevée; que le second train d'ondes Le ressort de la figure 3 fonctionne de façon semblable à celui de la figure 1 en tant que pour une faible charge, les sommets des premières ondulations 60 contactent la feuille et l'élément de re- tenue stationnaire de sorte que pour des conditions à faible charge, la constante de rappel relativement faible associée aux premières ondulations permette une déforma- tion facile du ressort pour une meilleure formation du coin de fluide, un meilleur amortissement et une meilleure stabilité de l'élément rotatif Cependant, lorsque la charge augmente, le ressort se déforme de sorte que toutes les secondes ondulations contactent la feuille et l'élément de retenue stationnaire pour ainsi augmenter considérable- -ment la rigidité du ressort afin de prévoir une portance plus élevée et une meilleure résistance aux excursions de l'arbre. La constante de rappel bilinéaire des ressorts re- présentés sur les figures 2 et 3 est représentée graphique- ment sur la figure 4 Selon la figure 4, lorsque la charge appliquée au ressort augmente, par exemple à cause d'une augmentation de la charge appliquée à l'élément rotatif, la constante de rappel (inclinaison de la courbe) reste relativement constante jusqu'au point de brisure de la courbe o la constante de rappel augmente considérablement C'est à ce point que le ressort a été déformé jusqu'à un degré suffisant pour placer les secondes ondulations (plus raides) en contact avec la feuille et l'élément station- naire en vue de rendre le ressort plus rigide. Alors que le palier hydrodynamique à film de fluide de la présente invention a été décrit ci-avant comme em- ployant une feuille cylindrique fendue, il est évident au spécialiste qu'une autre feuille appropriée peut être uti- lisée dont la forme sera déterminée par des exigeances en ce qui concerne la portance, l'amortissement de Coulomb ou de frottement et la géométrie du film de fluide L'on peut employer, par exemple, plusieurs feuilles espacées radialement ou une seule feuille hélicoïdale De façon pareille, ces exigeances détermineront aussi la composi- tion et les dimensions des feuilles et des ressorts Par exemple pour un palier ayant un diamètre de 7,62 cm employ 4 dans un turbo-compresseur tournant avec une vitesse de 50.000 à 100 000 tours par minute d'une machine de réfri- gération d'air, on a trouvé que l'alliage Inconel (R) à base de Nickel est bien approprié pour la feuille 25 et le ressort 45 Dans ces applications, chacun de ces éléments a une épaisseur de l'ordre de 0,0762 à 0,152 mm. L'on a trouvé que le palier hydrodynamique à film de fluide selon la présente invention fonctionne de façon optimale sous toutes les conditions de charge radiales ou latérales ou sous toutes les vitesses de fonctionnement avec un seul élément de support élastique ayant une con- stante de rappel bilinéaire En conséquence, le palier de la présente invention est caractérisé non seulement par i une atténuation et une stabilité améliorée avec une perte de puissance minimale mais aussi par une portance et une résistance améliorée aux excursions de l'arbre résultant de déséquilibres ou d'autres perturbations. REVENDICATIONS 1 Palier hydrodynamique à film de fluide comportant un élément de retenue stationnaire ( 15), un élément rota- tif ( 20) délimitant avec l'élément de retenue un espace ( 30) entre ces éléments, un élément de feuille lisse ( 25) disposé à l'intérieur de cet espace, l'élément rotatif étant supporté sur une couche de film de fluide pressurisée maintenue par le mouvement relatif entre l'élément rotatif et l'élément de feuille, le palier à fluide comportant également un élément de support élastique ( 45) accommodant des déformations de l'élément de feuille dues à sa pressu- risation par la couche du film de fluide, le palier étant caractérisé en ce que l'élément de support élastique ( 45) a une constante de rappel bilinéaire comportant une pre- mière faible constante de rappel pour accommoder des dé- formations de l'élément de feuille ( 25) et des excursions de l'élément rotatif ( 20) sous l'effet d'une faible charge: appliquée en vue de prévoir une stabilité et une atténua- tion perfectionnée avec une faible perte de puissance, et une seconde constante de rappel plus élevée pour résister aux déformations de l'élément de feuille ( 25) et aux ex- cursions de l'élément rotatif ( 20) sous l'application d'une charge plus élevée en vue de prévoir une meilleure por- tance. 2 Palier hydrodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de support élastique a une forme périodique comportant une première série d'ondu-1 lations élastiques ( 60) ayant la première constante de rappel et une seconde série d'ondulations élastiques ( 65) I ayant avec la première série d'ondulations la seconde con- stante de rappel, ledit élément de support élastique étant retenu entre l'élément de feuille ( 25) et l'élément sta- tionnaire ( 15) par engagement avec ceux-ci aux premières ondulations ( 60) lorsque ladite faible charge est appliqué 4 au palier et par engagement avec l'élément de feuille et l'élément stationnaire aux premières et aux secondes ondu- lations ( 60,65) lorsque ladite charge plus élevée est ap- pliquée au palier. 3 Palier hydrodynamique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des premières ondulations ( 60) comporte une série alongée des secondes ondulations ( 65). 4 Palier hydrodynamique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de support élastique a une- forme définie par la superposition d'un premier train d' ondes périodiques définissant les secondes ondulations sur un second train d'ondes périodiques définissant les pre- mières ondulations, le premier train d'ondes ayant une fréquence beaucoup plus élevée que le second train d'ondesi Palier hydrodynamique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des secondes ondulations ( 55) est disposée entre une paire des premières ondulations ( 502 contactant l'élément de feuille ( 25) et l'élément de rete-, nue stationnaire ( 15) ou seulement l'élément de feuille. 6 Palier hydrodynamique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'amplitude des secondes ondulations' ( 55) est inférieure à l'amplitude des premières ondula- tions ( 50).