Brevet FR2553843A1 — publié le 19850426

l ACCOUPLEMENT D'ARBRE La présente invention concerne un accouplement d'arbre pour la jonction de deux arbres de machines en rotation, par exemple de turbines et d'alternateurs, comportant chacun une bride d'accouplement à son extrémité, les deux brides, disposées en ligne, étant réunies au moyen de boulons d'accouplement. Avec les accouplements rigides il peut arriver, par exemple en cas d'avarie de la machine entraînée, que l'arbre se trouve rompu du fait de contraintes à la torsion 10 excessives, l'arbre qui tourne encore peut alors se tordre et être projeté au loin sous l'effet de la force centrifuge. C'est l'objet de la présente invention que de réaliser un accouplement d'arbre avec lequel, en cas d'une rupture par torsion de l'arbre, on évite les avaries se15 condaires pouvant être provoquées par l'arbre ainsi rompu. On arrive à ce résultat, selon la présente invention, en prévoyant sur l'une des deux extrémités d'arbres une zone de rupture obligée située à l'extérieur de la bride d'accouplement correspondante, ainsi qu'un élément de retenue fixé à l'autre bride d'accouplement et s'étendant dans le sens axial au delà de la longueur de la zone de rupture obligée. Avec la disposition de la zone de rupture obligée, de préférence sur l'arbre de la machine entrainée en avant 25 de la bride d'accouplement, et la présence de l'élément de retenue, on est assuré qu'en cas de surcharge l'accouplement se brise en un endroit prédéterminé. Il existe essentiellement deux formes de réalisation de l'objet de l'invention, l'une avec une broche de retenue 30 et l'autre avec un anneau de retenue. Dans une première forme de réalisation de l'invention, avec une broche de retenue, ladite broche est fixée à la bride d'accouplement de l'un des arbres, s'engage dans un alésage axial de l'autre arbre et comporte à son extré35 mité libre une portée qui s'engage dans un alésage prévu dans le prolongement dudit alésage axial Selon une première variante la broche de retenue est réalisée en une seule pièce avec la bride d'accouplement dupremier des deux arbres précités; cette variante ne fait appel qu'à un minimum de pièces supplémentaires et elle est intéressante lorsqu'au cours du montage on dispose de suffisamment de place pour déplacer les pièces dans le sens axial. Selon une deuxième variante par contre, la broche de retenue est fixée à un élément bride supplémentaire qui est 10 boulonné entre les deux brides d'accouplement; avec cette variante la place nécessaire pour le montage est moins grande et on peut rajouter le système à posteriori, en particulier si les deux machines ne sont pas accouplées directement mais au moyen d'un arbre intermédiaire. Comme l'extrémité de la broche s'étend au delà de la zone de rupture, en cas de rupture le tronçon d'arbre reste maintenu dans sa position sur ladite broche On évite ainsi le fouettement de la partie cassée de l'arbre. Dans la deuxième forme de réalisation de l'inven20 tion, avec un anneau de retenue,celui-ci est solidement réuni à l'une de ses extrémités avec la bride d'accouplement de l'arbre sur lequel est prévu la zone de rupture. Avec cette forme de réalisation aucun alésage particulier n'est nécessaire dans les arbres, on peut dimensionner assez librement l'anneau de retenue dans des limites confortables, en fonction des exigences qu'il peut être appelé à satisfaire, car son diamètre peut être choisi jusqu'à une valeur égale à celle du diamètre des brides d'accouplement On peut aussi dimensionner indépendamment la zone de 30 rupture Selon une première variante, on prévoit entre l'anneau de retenue et l'arbre, un manchon fendu dans le sens axial, qui recouvre la zone de rupture, avec un tel manchon fendu on évite la nécessité d'un ajustage de précision entre l'anneau de retenue et l'arbre Selon une autre 35 variante, sur l'arbre ayant la zone de rupture obligée on prévoit un collet situé au delà de ladite zone de rupture et l'extrémité libre de l'anneau de retenue prend appui sur ce collet; on évite ainsi la nécessité du manchon fendu dans le sens axial et l'anneau de retenue 5 recouvre la zone de rupture Lorsqu'un arbre intermédiaire est prévu entre la machine motrice et la machine entraînée, on dispose la zone de rupture sur l'arbre de liaison intermédiaire. Cette deuxième forme de réalisation, avec ses deux 10 variantes, est particulièrement avantageuse pour les installations comportant ledit arbre intermédiaire avec la zone de rupture En cas de rupture de l'arbre intermédiaire à la zone de rupture qui a été prévue, l'anneau de retenue se charge également d'assurer un retour à l'arrêt sans danger de la machine et d'éviter les avaries secondaires. De plus, la durée d'immobilisation de l'installation s'en trouve considérablement réduite, car la mise en place d'un nouvel arbre intermédiaire peut se faire en un temps relativement court. La fabrication de l'anneau de retenue, fabriqué avec le même métal que l'arbre, ou que l'arbre intermédiaire, se fait en suivant laprocédure suivante: en partant de la pièce brute de forge, qui comporte une réserve de métal pour l'anneau, on détache l'anneau de retenue par tronçon25 nage et découpe, sur un tour Le métal perdu au cours de cette opération sera compensé lors du montage de l'anneau de retenue par le manchon fendu dans le sens axial, que l'on insère entre l'anneau de retenue et l'arbre de manière à recouvrir complètement la zone de rupture prévue sur l'arbre Dans le cas des arbres avec un collet, selon la deuxième variante, on détache l'anneau de retenue de la pièce de forge en veillant à ce que son diamètre intérieur corresponde au diamètre extérieur du collet de l'arbre On obtient ainsi un assemblage ajusté de l'anneau de retenue 35 sur le collet. Pour assurer la possibilité en cas d'urgence d'un fonctionnement exceptionnel mais de durée limitée, aux points de frottement entre l'élément de retenue et l'arbre, différentes possibilités d'apairage peuvent être prévues pour les métaux en contact C'est ainsi, par exemple, que pour la forme de réalisation avec une broche de retenue il s'est révélé avantageux de recouvrir la surface extérieure de la portée, à l'extrémité de la broche, avec un alliage de cuivre tandis que la surface intérieure de l'alésage, au fond du forage axial de l'arbre, est constituée par le métal de l'arbre, c'est-à-dire par de l'acier sans aucun revêtement Pour la variante de réalisation avec l'anneau de retenue, o ledit anneau prend appui sur le collet prévu sur l'arbre, on prévoit également un revêtement 15 d'alliage de cuivre sur la surface intérieure de l'anneau de retenue, tandis que le collet de l'arbre a une surface normale en acier Pour la variante avec un manchon fendu dans le sens axial, ledit manchon est réalisé avec un alliage de cuivre, tandis que l'anneau de retenue est réa20 lisé en utilisant le même acier que pour l'arbre, le manchon fendu, en alliage de cuivre, se trouve ainsi disposé entre deux surfaces en acier, celle de l'arbre et celle de l'anneau de retenue Il est possible cependant d'utiliser à la place de l'alliage de cuivre, un alliage de bronze ou 25 quelque autre combinaison de matériaux présentant les qualités convenables pour permettre en cas d'urgence un fonctionnement exceptionnel mais de courte durée limitée. Dans le dessin, on a représenté sous une forme simplifiée des exemples de réalisations de l'objet de l'in30 vention Les différentes figures montrent respectivement: Figure 1: une vue en coupe longitudinale d'un accouplement d'arbre selon l'invention, avec une broche de retenue. Figures 2 a et 2 b respectivement: une vue en coupe de deux variantes d'une autre forme de réalisation de l'accouplement d'arbre, avec un anneau de retenue. Selon la figure 1, le repère 1 désigne l'arbre d'une machine d'entraînement, d'une turbine à gaz par exemple, l'extrémité dudit arbre étant pourvue d'une bride d'accouplement 2 L'arbre 3 d'une machine entrainée com5 porte une bride d'accouplement 2 ' Les deux brides d'accouplement 2, 2 ' comportent des perçages 6 et sont assemblées au moyen de boulons d'accouplement 4 qui passent dans des douilles expansibles 5 Pour le centrage des arbres 1, 3, dans la face frontale de chacune des brides d'accouplement 2, 2 ' on a prévu un évidement de centrage 10. Entre les deux brides d'accouplement 2, 2 ' est disposé un élément bridesupplémentaire 7, muni d'un épaulement de centrage 10 ', également réuni aux deux brides d'accouplement 2, 2 ' au moyen de boulons d'accouplement 4 Au centre 15 de l'élément bride 7 se trouve une broche de retenue 8 qui s'engage dans un alésage axial 9 de-l'arbre 3 et dont l'extrémité 12, avec sa surface de portée 16 pénètre avec un jeu très faible dans un alésage prévu au fond de l'alésage 9 Une zone de rupture obligée 11 est prévue sur l'arbre 3 en avant de la bride d'accouplement 2 ' L'extrémité 12 de la broche, avec sa partie ajustée dans l'alésage prévu au fond de l'alésage axial 9, s'étend en direction de la machine entraînée au delà de la longueur axiale de la zone de rupture 11 de la machine entraînée. Pour obtenir la possibilité, en cas d'urgence, d'un fonctionnement exceptionnel mais de courte durée, sur les surfaces de contact (points de frottement) avec la surface de l'alésage 16, au fond de l'alésage 9, l'extrémité 12 de la broche est revêtue d'un matériau présentant les ca30 ractéristiques convenables On peut utiliser pour cela des alliages de cuivre ou des alliages de bronze D'autres revêtements de l'extrémité 12 de la broche sont également possibles, susceptibles d'éviter en cas de rupture de l'arbre un soudage par friction entre la surface de portée 35 16 et l'extrémité 12 de la broche de retenue. Dans les installations ot l'on dispose-de suffisamment de place pour un montage axial de l'arbre 3, la broche de retenue 8 peut être prévue directement sur la bride d'accouplement 2 On peut se passer ainsi de l'élé5 ment bride supplémentaire 7 et boulonner les brides d'accouplement 2, 2 ' directement l'une contre l'autre. En cas de surcharge excessive de la ligne d'arbres 1, 2, 2 ', 3, avec la structure selon l'invention, la cassure se produit à la zone de rupture obligée 11 Du fait de l'action conjuguée de l'ajustage sans jeu de l'extrémité 12 de la broche dans l'alésage 16 prévu au fond de l'alésage axial 9, et aux caractéristiques de ladite extrémité 12, permettant un fonctionnement d'urgence exceptionnel mais de courte durée, la partie cassée de l'arbre 3 reste approximativement dans sa position initiale jusqu'à l'arrêt de la machine Il ne peut se produire de fouettement de l'arbre ni de dégats secondaires importants. Dans la forme de réalisation selon la figure 2 a, de même que dans la construction selon la figure 1, l'arbre 20 3 de la machine entraînée est réuni à l'arbre 1 de la machine d'entraînement au moyen des brides d'accouplement 2 ', 2 La zone de rupture 11 est prévue sur l'arbre 3 dans la zone de raccordement à la bride d'accouplement 2 '. Ladite zone de rupture est recouverte par l'anneau de re25 tenue 13, qui, à l'une de ses extrémités, est solidement réuni avec la bride d'accouplement 2 ' Entre l'anneau dé retenue 13 et l'arbre 3 est disposé un manchon fendu dans le sens axial 14 qui recouvre lui aussi la zone de rupture 11. L'arbre est réalisé à partir d'une pièce brute de 30 forge qui comporte un bourrelet annulaire supplémentaire entre la future bride d'accouplement 2 ' et la partie restante de l'arbre 3 Par son diamètre extérieur et par sa longueur-dans le sens axial, ce bourrelet correspond approximativement aux dimensions de la bague de retenue 13. 35 On usine l'arbre 3 de la manière habituelle La dernière opération consiste à détacher le bourrelet annulaire, à le brider ensemble avec la bride d'accouplement 2 ' et à percer des trous, en ligne avec les trous 6 de la bride d'accouplement 2 '. Avec la variante de réalisation selon la figure 2 b, l'arbre 3 comporte un collet et la bride d'accouplement 2 ' L'anneau de retenue 13 est disposé de telle manière, qu'à l'une de ses extrémités, il est réuni solidement avec la bride d'accouplement 2 ', tandis que son autre extrémité prend appui sur le collet 15 de l'arbre La zone de rupture 11 se trouve ainsi recouverte sur toute sa longueur, dans le sens axial, par l'anneau de retenue 13 Pour la fabrication de l'anneau de retenue 13 de cette variante de réalisation, on part d'une ébauche brute de forge pour l'arbre 3 qui, outre le collet 15 de l'arbre, 15 comporte aussi un bourrelet supplémentaire disposé entre ledit collet et la partie restante de l'arbre Par son diamètre extérieur et sa longueur dans le sens axial, ce bourrelet correspond approximativement aux dimensions de l'anneau de retenue 13 On usine l'arbre 3 de la manière 20 habituelle La dernière opération consiste à détacher le bourrelet annulaire, à le brider ensemble avec la bride d'accouplement 2 ' et à y percer des trous qui se trouvent alignés avec les perçages axiaux 6 de la bride d'accouplement 2 ' On détache alors l'anneau de retenue 13 de l'arbre 25 3 de manière que son diamètre intérieur soit légèrement plus grand que le diamètre extérieur du collet 15 de l'arbre, de manière que l'on puisse le glisser par dessus ledit collet et qu'il reste encore un jeu suffisant pour l'application du revêtement qui doit assurer les caractéristiques 30 permettant en cas d'urgence le fonctionnement exceptionnel de courte durée. S'il survient en exploitation une surcharge de la ligne d'arbres, entraînant une cassure à la zone de rupture, dans les deux variantes de cette forme de réalisations (figure 2 a et 2 b), l'anneau de retenue 13 assume le maintien de l'arbre cassé jusqu'au retour à l'arrêt de l'installation, sans qu'il se produise de fouettement de l'arbre ni de détériorations secondaires importantes qui pourraient en résulter Ces dispositifs avec la broche de retenue 8 5 ou avec l'anneau de retenue 11, aussi bien selon la variante avec le manchon 14 fendu dans le sens axial que selon la variante avec le collet d'arbre 15, peuvent s'appliquer de la même manière lorsque les deux machines ne sont pas accouplées directement mais au moyen d'un arbre intermédiaire Dans ce cas on dispose l'arbre intermédiaire entre la bride d'accouplement 2 de la machine d'entraînement et la bride d'accouplement (non représentée) de la machine entraînée La fabrication des deux éléments de retenue se fait de la même manière que pour un arbre 15 accouplé directement à l'arbre d'entraînement. REVENDICATIONS 1 Accouplement d'arbre pour la jonction de deux arbres de machines en rotation, par exemple d'une turbine et d'un alternateur, avec chacun une bride d'accou5 plement ( 2, 2 ') sur les bouts d'arbres respectifs des deux arbres ( 1, 3), les deux brides ( 2, 2 ') disposées en ligne étant réunies entre elles au moyen de boulons d'accouplement ( 4), caractérisé par le fait que l'une des deux extrémités d'arbres est pour10 vue, à l'extérieur de la bride d'accouplement ( 2 ') d'une zone de rupture obligée ( 11), que sur l'une des brides d'accouplement ( 2, 2 ') est fixé un élément de retenue ( 8, 13), ledit élément de retenue ( 8, 13) s'étendant dans le sens axial au delà de la longueur 15 de la zone de rupture ( 11). 2 Accouplement d'arbre selon la revendication 1, caractêrisé par le fait que l'élément de retenue est réalisé sous la forme d'une broche ( 8), qui est fixée à la bride d'accouplement ( 2) de l'un des arbres ( 1), 20 s'engage dans un alésage axial ( 9) de l'autre arbre ( 3) et qu'à son extrémité libre ladite broche ( 8) comporte une portée ( 16) qui s'engage dans un alésage dudit alésage axial ( 9). 3 Accouplement d'arbre selon la revendication 2, carac25 térisé par le fait que la broche ( 8) est réalisée en une seule pièce avec la bride d'accouplement ( 2) de l'un des arbres ( 3). 4 Accouplement d'arbre selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la broche de retenue ( 8) com30 prend un élément bride supplémentaire ( 7), qui est boulonné entre les deux brides d'accouplement ( 2, 2 ') (Fig 1). Accouplement d'arbre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément de retenue est réa35 lisé sous la forme d'un anneau de retenue ( 13), solidement réuni à l'une de ses extrémités avec la bride d'accouplement ( 2 ') de l'arbre ( 3) qui est pourvu de la zone de rupture ( 11). 6 Accouplement d'arbre selon la revendication 5, carac5 térisé par le fait qu'entre l'anneau ( 13) et l'arbre ( 3) est disposé un manchon ( 14) fendu dans le sens axial qui recouvre la zone de rupture ( 11), (Fig 2 a). 7 Accouplement d'arbre selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit arbre ( 3) est pourvu 10 d'un collet ( 15), la zone de rupture ( 11) étant située entre ledit collet ( 15) et la bride d'accouplement ( 2 '), et que l'autre extrémité de l'anneau ( 13) prend appui sur ce collet ( 13), (Fig 2 b). 8 Accouplement d'arbre selon l'une quelconque des re15 vendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'aux points de frottement entre l'élément de retenue ( 8,'13) et l'arbre ( 3), les matériaux sont apairés de manière à permettre un fonctionnement exceptionnel en cas d'urgence mais de durée limitée.