Brevet FR2570767A1 — publié le 19860328

Dispositif d'impulsion de gaz à température élevée. L'invention concerne un dispositif d'impulsion de gaz à température élevée, tel qu'un ventilateur ou analogue, destiné à être utilisé à des températures supérieures à 8009000C et pouvant atteindre 12000C ou davantage,par exemple dans la sidérurgie, l'industrie de la céramique, des traitements thermiques spéciaux, les installations à gaz produits par des réacteurs plasmagènes, etc. Les ventilateurs d'un type classique ne peuvent fonctionner à des températures dépassant 800-9000C, sauf utilisation d'alliages spéciaux qui sont d'un coût prohibitif ou de systèmes internes de refroidissement qui sont complexes et d'un coût également très élevé. L'invention a pour objet un dispositif d'impulsion de gaz, par exemple un ventilateur, pouvant supporter des températures élevées et qui est cependant d'un prix compatible avec les exigences de l'industrie. L'invention a encore pour objet un dispositif du type précité, dont les composants essentiels sont réalisés en une ou en des matières thermoréfractaires du type céramique et sont assemblés entre eux et sur un arbre moteur par liaisons de formes, sans utilisation de moyens classiques de fixation tels que des vis, des boulons, etc, qui ne supporteraient pas ces températures élevées. L'invention propose à cet effet un dispositif d'impulsion de gaz à température élevée, comprenant un arbre moteur et des pales montées en couronne sur l'arbre moteur pour être entrainées en rotation autour de l'axe longitudinal de celui-ci, caractérisé en ce que les pales sont réalisées en une matière thermoréfractaire du type céramique et sont assemblées sur une extrémité de l'arbre par serrage et pincement entre deux disques de matière thermoréfractaire entourant coaxialement l'arbre et sollicités axialement l'un vers l'autre par des moyens de centrage et de serrage, réalisés en matière thermoréfractaire et interposés à frottement entre les disques et l'arbre moteur. Les pales en matière thermoréfractaire du dispositif selon l'invention sont ainsi assemblées et maintenues fixement sur l'arbre moteur par des liaisons de formes et par une contrainte de serrage, au moyen de disques et de moyens de centrage et de serrage réalisés eux-mêmes en matière thermoréfractaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'arbre moteur est monté en porte-à-faux, son extrémité opposée à celle portant les pales étant supportée et guidée en rotation par des paliers extérieurs à la zone où règne une température élevée, et est réalisé en acier, sa partie s'étendant dans la zone à température élevée étant entourée et protégée par un fourreau en matière thermoréfractaire et par les disques et moyens de centrage et de serrage montés à son extrémité. La réalisation de l'arbre moteur en acier et sa protection, dans la zone à température élevée, par des éléments en matière thermoréfractaire permettent de le monter en porte-àfaux, seule son extrémité située à l'extérieur de la zone à température élevée étant supportée et guidée en rotation. De préférence, cet arbre a une forme cylindrique tubulaire fermée à son extrémité portant les pales et est refroidi par un fluide tel que de l'air circulant à l'intérieur de l'arbre depuis son extrémité extérieure à la zone à température élevée, au moyen d'un tube disposé coaxialement à l'intérieur de l'arbre et s'étendant sur sensiblement toute la longueur de celui-ci. Les moyens de refroidissement associés à l'arbre moteur du dispositif selon l'invention sont donc de structure simple et peu coûteuse. Selon une autre caractdristique de l'invention, les moyens de serrage et de centrage précités comprennent deux pièces annulaires coaxiales à l'arbre dont l'une est à fond fermé et coiffe l'extrémité de l'arbre et dont l'autre, tubulaire à extrémités ouvertes, est enfilée sur l'arbre, la première de ces deux pièces étant en butée sur un épaulement de l'arbre tandis que la seconde est soumise à l'action de moyens élastiques de poussée exerçant sur elle une force axiale orientée vers ladite première pièce. Avantageusement, ces moyens de poussée sont extérieurs à la zone à température élevée et transmettent ladite force axiale à la seconde pièce par l'intermédiaire du fourreau de matière thermoréfractaire qui entoure l'arbre. Les pièces annulaires de serrage et de centrage sont, de préférence, réalisées en plusieurs parties identiques, juxtaposées circonférentiellement sur l'arbre, ce qui permet d'éviter les contraintes dues aux dilatations différentielles. Par ailleurs, ces pièces de serrage et de centrage comprennent chacune une portée cylindrique entourant étroitement l'arbre, et une portée tronconique, centrée sur l'axe de rota- tion et sur laquelle est en appui une portée tronconique correspondante d'un disque précité. Ces disques comprennent chacun une autre portée tronconique, orientée en sens inverse de la première, et par laquelle ils sont en appui sur une portée tronconique correspondante de l'extrémité radialement interne de chaque pale. Les coopérations de ces portées tronconiques permettent, sous l'action des moyens de poussée axiale, d'assurer, d'une part, le centrage et la fixation des pales sur l'arbre moteur et, d'autre part, 1a transmission d'un couple de rotation de l'arbre moteur aux pales. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels - les figures 1A et 1B représentent en coupe longitudinale axiale un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une vue en élévation d'une pale; - la figure 3 est une vue de côté de cette pale; - la figure 4 est une vue de dessus de la pale représentée en figure 2. Le dispositif selon l'invention représenté dans les figures 1A et 1B est un dispositif d'impulsion de gaz, tel qu'un ventilateur, destiné à fonctionner dans une zone à température élevée, par exempleàl'intérieur d'un four dans lequel peut régner une température de 11 ordre de 12000C. Ce dispositif comprend un arbre cylindrique 10, réalisé en acier, dont une extrémité est supportée, à l'extérieur du four ou de la zone à température élevée, par deux paliers 12 à roulements à billes 14 reliés entre eux par une plaque rigide 16 et montés sur un bâti fixe, non représenté, au moyen de suspensions élastiques 18. Une entretoise cylindrique 20 entourant l'arbre 10 est interposée entre les cages internes des roulements à billes qui sont mis ainsi en butée sur un épaulement 22 de l'arbre 10, au moyen d'une pièce tubulaire 24 coiffant l'extrémité de l'arbre 10 et fixéé à celle-ci par des boulons 26. La surface extérieure de la pièce 24 forme une poulie pour l'entraînement en rotation de l'arbre 10. La pièce 24 est également solidaire d'un tube 28 s'étendant à l'intérieur de l'arbre creux 10 sur sensiblement toute la longueur de celui-ci et maintenu en position, à l'extrémité de l'arbre opposée à la pièce 24, par des vis de centrage 30 vissées dans des trous radiaux de l'arbre, de façon à ménager un espace cylindrique annulaire entre la surface interne de l'arbre 10 et le tube 28. La pièce 24 présente encore un passage radial 32 communiquant avec l'intérieur du tube 28, et un orifice axial à son extrémité libre, recevant un couvercle 34 comprenant un conduit axial 36 relié par un raccord rotatif 38 à un conduit 40 d'alimentation en air refroidissement. L'air amené par le conduit 40 gagne le passage 36 en traversant le raccord rotatif 38, puis est amené par une chambre 42 de la pièce 24 dans l'espace compris entre le tube 28 et l'arbre 10, circule dans cet espace jusqu'à l'extrémité oppsoée de l'arbre 10, pénètre dans le tube 28 et ressort de la pièce 24 par le passage radial 32 de celle-ci. L'extrémité de l'arbre 10 opposée à la pièce 24 est fermée et présente un rebord ou épaulement annulaire 44 sur lequel s'appuie axialement une première pièce annulaire 46 de centrage et de serrage, présentant un fond fermé 48 pour coiffer et recouvrir l'extrémité de l'arbre 10 et son épaulement annulaire 44. En regard de la première pièce 46 se trouve une seconde pièce 50 de centrage et de serrage, entourant coaxialement l'arbre 10 et présentant, en direction de la première pièce 46, une partie cylindrique 52 entourant l'arbre et s'étendant jusqu'au voisinage immédiat de la première pièce 46. Les deux pièces de centrage et de serrage 46 et 50 présentent chacune une portée cylindrique interne 54; de même diamètre, ajustée sur la surface extérieure de l'arbre 10,- et une portée tronconique externe 56,centrée sur l'axe 58 de l'arbre 10, ces portées tronconiques étant orientées de telle sorte que leur diamètre en section transversale diminue pour chaque portée dans la direction de l'autre portée. Les pièces 46 et 50 de centrage et de serrage sont avantageusement réalisées chacune en plusieurs parties, par exemple en quatre parties identiques, qui sont juxtaposées circonférentiellement autour de l'axe 58 de l'arbre 10. Les portées tronconiques 56 des pièces de centrage 46 et 50 sont en appui sur des portées tronconiques internes 60 de deux disques identiques 62, entourant coaxialement l'arbre 10 et disposés en regard l'un de l'autre. Les extrémités radialement externes des disques 62 comprennent, sur leurs faces en regard, chacune une portée tronconique 64, centrée sur l'axe 58 de 1' arbre 10 et orientée de telle sorte que les diamètres en section transversale de ces portées tronconiques augmentent quand la distance axiale entre les portées diminue. Les portées tronconiques 64 des disques 62 sont en appui sur des portées tronconiques correspondantes 66 formées par deux faces latérales opposées des talons 68 des pales 70, représentées plus en détail dans les figures 2 à 4. Ces pales, au nombre de huit dans l'exemple représenté, comprennent chacune une partie radialement interne 68, ou talon, de fixation et une partie active 72 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis le talon 68. Ce talon 68 est à section quadrangulaire et comprend deux faces latérales opposées 66 tronconiques formant les portées précitées, reliées entre elles par deux faces latérales opposées 74 planes et de forme trapézoldale, et orientées radialement par rapport à l'axe 58 de l'arbre 10 lorsque les pales 70 sont montées et assemblées correctement sur cet arbre. Ces faces latérales 74 des talons 68 des pales sont en appui les unes sur les autres lorsque les pales sont assemblées entre les disques 62, les talons 68 étant alors circonférentiellement juxtaposés en formant une couronne continue autour de l'axe 58. Les pièces de centrage et de serrage 46 et 50 sont poussées l'une vers l'autre par l'intermédiaire d'un fourreau cylindrique 76 entourant coaxialement l'arbre 10 et dont une extrémité est centrée en appui sur la seconde pièce 50 de serrage et de centrage tandis que son extrémité opposée reçoit une force de poussée axiale développée par un ressort formé par un empilement autour de l'arbre 10 de rondelles 78 élastiquement déformables d'un type classique. Un écrou 80, vissé sur la périphérie de l'arbre 10 et muni de moyens de blocage 82, prend appui sur une extrémité du ressort et permet de régler la poussée axiale développée par celui-ci. Le ressort formé par les rondelles 78 se trouve à l'ext6- rieur de la zone à température élevée. Les pièces 46 et 50 de serrage et de centrage, les disques 62, les pales 70 et le fourreau cylindrique 76 sont réalisés en matière thermoréfractaire du type céramique et, en entourant complètement la partie de l'arbre 10 située dans la zone à température élevée, protègent celle-ci de l'action de la température. Dans un exemple particulier, les pièces de centrage et de serrage 46 et 50, les pales 70 et le fourreau 76 sont réalisés en mullite (3Al203-2SiO2) tandis que les disques 62 sont réalisés en SiC. La poussée axiale développée par le ressort formé par les rondelles 78, qui est de l'ordre de 3000 daN dans un exemple de réalisation, est transmise par-l'écrou 80 et l'arbre 10 à la première pièce 46 de centrage et de serrage, et par le fourreau 76 à la seconde pièce 50 de centrage et de serrage. Ces deux pièces sont ainsi sollicitées axialement l'ùne vers l'autre, et par leurs portées tronconiques 56 appliquées sur les portées tronconiques 60 des disques 62, sollicitent axialementles deux disques l'un vers l'autre. Il en résulte également, quand les pièces 46 et 50 sont réalisées en plusieurs parties juxtaposées circonférentiellement sur l'arbre 10, un serrage des diverses parties des pièces 46, 50 les unes contre les autres. Les portées tronconiques 64 des disques 62, appliquées sur les portées tronconiques 66 des talons des pales, sollicitent les pales radialement vers l'axe 58 dans une position où les faces radiales 74- des talons des pales sont serrées les unes sur les autres. Le couple de rotation appliqué à la pièce 24 fixée à l'extrémité de l'arbre 10 est transmis par l'extrémité opposée de l'arbre 10 et son épaulement 44 aux pièces de centrage et de serrage 46 et 50, qui le transmettent aux disques 62, qui le transmettent eux-mêmes aux pales 70. Ce couple de rotation est relativement faible en régime permanent. De préférence, des couches de fibres isolantes thermoréfractaires sont interposées entre l'arbre 10 et les éléments qui l'entourent dans la zone à température élevée, comme indiqué en 84 (entre l'épaulement 44 d'extrémité de l'arbre et le fond de la première pièce 46 de centrage et de serrage), en 86 (entre l'arbre et la surface interne de la partie cylindrique 52 de la seconde pièce 50 de centrage et de serrage), et en 88 (entre l'arbre et le fourreau 76). Ces dispositions de fibres thermoréfractaires et la protection de l'arbre par les diverses pièces 46, 50, 62, 70, 76 en matière thermoréfractaire permettent d'abaisser la température, à l'extrémité de 1' arbre, à une valeur de l'ordre de 4000C pour une température extérieure de l'ordre de 12000C. Comme indiqué plus haut, la réalisation de l'arbre 10 en acier permet de le monter en porte-à-faux par une extrémité dans les paliers 12, la longueur de la partie en porte-àfaux de l'arbre étant par exemple de l'ordre de 750 à 800 mm pour un diamètre extérieur de l'arbre de l'ordre de 75 mm. Un dispositif d'impulsion de gaz ou ventilateur selon l'invention peut avoir un rotor d'un diamètre extérieur de l'ordre de 800 mm, sa vitesse de rotation peut varier entre 1000 et 10000 tours par minute, et le débit de gaz entraîné peut être de 1000 à 10 000 Mm3 par heure pour une puissance mécanique d'entraînement de 'ordre du kilowatt. La durée de vie d'un tel dispositif est extrêmement élevée (supérieure à 100 000 heures de fonctionnement) grâce à la structure d'assemblage des pales sur l'arbre moteur, qui permet de réduire les contraintes provoquées par les dilatations différentielles entre les pièces en céramique et l'arbre en acier. Revendications. 1. Dispositif d'impulsion de gaz à température élevée, comprenant un arbre moteur (10) et des pales (70) montées en couronne sur l'arbre moteur pour être entraînées en rotation autour de l'axe longitudinal (58) de celui-ci, caractérisé en ce que les pales (10) sont réalisées en une matière thermonéfractaire du type céramique et sont assemblées sur une extrémité de de'arbre (10) par serrage et pincement entre deux disques (66) de matière thermoréfractaire entourant coaxialement l'arbre (10) et sollicités axialement l'un vers l'autre par des moyens (46, 50) de centrage et de serrage, réalisés en matière thermoréfractaire et interposés à frottement entre les disques (62) et l'arbre moteur (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre (10) est monté en porte-à-faux, son extrémité opposée à celle portant les pales (70) étant supportée et guidée en rotation par des paliers (12) extérieurs à la zone à température élevée, et est réalisé en acier, sa partie s1 étendant dans la zone à température élevée étant entourée et protégéepar un fourreau (76) en matière thermoréfractaire et par les disques (62) et moyens (46, 50) de centrage et de serrage montés à son extrémité. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'arbre (10) a une forme cylindrique tubulaire fermée à son extrémité portant les pales (70) et est refroidi par un fluide tel que de l'air, circulant à l'intérieur de l'arbre depuis son extrémité extérieure à la zone à température élevée, au moyen d'un tube (28) disposé coaxialement à l'intérieur de l'arbre (10) et s'étendant sur sensiblement toute la longueur de celui-ci. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (46, 50) de centrage et de serrage comprennent deux pièces annulaires coaxiales à l'arbre (10) dont l'une (46) est à fond fermé (48) et coiffe l'extrémité de l'arbre (10) et dont l'autre (50), tubulaire à extrémités ouvertes, est enfilée sur l'arbre (10), la pre mièvre de ces pièces étant en butée sur un épaulement (44) de l'arbre (10) tandis que la seconde (50) est soumise à l'action de moyens élastiques de poussée (78) exerçant sur elle une force axiale orientée vers la première pièce (46). 5. Dispositif selon l'ensemble des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que les moyens de poussée sont extérieurs à la zone à température élevée et transmettent ladite force axiale à la seconde pièce (50) par l'intermédiaire du fourreau (76) de matière thermoréfractaire entourant l'arbre (10). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites pièces (46, 50) de centrage et de serrage sont réalisées en plusieurs parties identiques, juxtaposées circonférentiellement sur l'arbre (10). 7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que lesdites pièces (46, 50) de centrage et de serrage comprennent chacune une portée cylindrique (54) interne ajustée sur l'arbre (10) et une portée tronconique externe (56), centrée sur l'axe de rotation (58) et sur laquelle est en appui une portée tronconique correspondante (60) d'un disque (62) précité. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces en regard des disques (60 comprennent chacune une portée tronconique (64), centrée sur l'axe de rotation (58) et venant en appui sur une portée tronconique (66) correspondante de l'extrémité radialement interne (68) ou talon des pales (70). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les portées tronconiques (66) précitées sont formées sur deux faces latérales opposées des talons (68) des pales, tanids que les deux autres faces latérales opposées (74) de ces talons sont planes et radiales par rapport à l'axe de rotation (58) et forment les faces d'appui des talons des pales les uns sur les autres. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des couches (84, 86, 88) de fibres isolantes thermoréfractaires sont interposées entre l'arbre (10) et les pièces thermoréfractaires (46, 50, 76) qui l'entourent, excepté dans les zones d'appui ou de centrage de ces pièces sur l'arbre (10).