Brevet FR2567568A1 — publié le 19860117

MACHINE TOURNANTE A PISTON ROTATIF D'EQUILIBRAGE ET DE PRECHARGE. La présente invention concerne une machine tournante comprenant un carter présentant des passages et orifices d'entrée et de sortie d'un fluide moteur ou à traiter, un rotor tournant dans le carter. Ltinvention concerne par conséquent des machines telles que turbines, pompes, moteurs, compresseurs. Plus particulièrement, l'invention concerne des perfectionnements concernant la réduction de la charge axiale sur les paliers du rotor due à la pression du fluide sur le rotor. On connaît déjà des dispositifs permettant de répartir uniformément la charge que doivent supporter les paliers du ou des rotors. De tels perfectionnements sont décrits plus particulièrement dans le brevet fran çais nO 1 528 283. Dans ce brevet, on décrit une machine tournante comprenant un carter présentant des passages d'entrée et de sortie et des orifices d'entrée et de sortie pour un fluide, un rotor tournant dans ce carter et agissant sur ce fluide, et des paliers montés dans le carter, destinés à porter le rotor et capables de supporter une poussée axiale prédéterminée. La machine selon ce brevet de la technique antérieure comprend un cylindre monté dans le carter, un piston équilibreur de poussée mobile dans ce cylindre et soumis à l'action du fluide de façon à exercer sur le rotor une poussée axiale dans un sens déterminé et des dispositifs élastiques placés dans le carter et qui exercent sur le rotor une poussée axiale dans le sens opposé, l'action du piston étant telle que le rotor est retenu constamment dans le sens opposé.Dans ce document de la technique antérieure, le piston équilibreur est un piston qui bien que mobile axialement exerce son action sur le rotor à travers un roulement, ce qui lui permet de ne pas tourner avec le rotor et de rester fixe. I1 s'agit donc d'un piston statique. Ainsi, sur les machines de ce type on est obligé d'utiliser deux paliers axiaux de butée, l'un transmettant l'effort d'équilibrage et l'autre assurant le rible de butée. Donc il est nécessaire, du fait que l'on utilise un piston staticue pour l'équi- librage, de soumettre les paliers à des charges sensiblement égales.Au cours du fonctionnement normal du compresseur, l'action combinée des moyens élastiques et du piston répartit donc la poussée axiale qui s'exerce sur les paliers dont l'un est placé vers le piston d'équilibrage et dont l'autre est placé à l'autre extrémité du rotor, du coté des moyens d'entraînement du rotor. Ainsi, les deux paliers, qui sont notamment des paliers à billes de même dimension, doivent être soumis à des charges égales pour permettre une longévité correcte de ces roulements. L'invention vise donc à réduire davantage les efforts sur les roulements ou les paliers de butée supportant les efforts axiaux dans une telle machine. Dans le cas d'utilisation de roulements à billes, la durée de vie de ces derniers s'en trouve considérablement prolongée. A cet effet, l'invention concerne une machine tournante comprenant un carter présentant des passages et orifices d'entrée et de sortie d'un fluide, un rotor tournant dans le carter et agissant sur le fluide, soumis lors du fonctionnement à une poussée axiale due à la pression exercée par le fluide à traiter. Une telle machine est caractérisée par le fait qu'elle comporte en combinaison un seul palier axial de butée soumis à des forces axiales, des moyens de précharge et des moyens d'équilibrage Les moyens de précharge ont pour fonction, en premier lieu lors du démarrage, d'exercer sur le rotor un effort axial supérieur à celui de sens opposé provoqué par les effets d'inertie et, en second lieu, lors du fonctionnement à vide, d'assurer un effort axial minimal sur le palier de butée.Les moyens d'équilibrage ont pour fonction d'exercer sur le rotor un effort axial opposé à la poussée axiale due à la pression exercée par le fluide comprimé, pendant le fonctionnement en charge pour soulager le palier de butée. Selon l'invention, les moyens de précharge et d'équilibrage sont constitués~par un premier piston rotatif-et par un second piston rotatif. Selon un mode de réalisation de l'invention, les pistons rotatifs peuvent être situés d'un même cOté du rotor. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les deux pistons rotatifs sont situés chacun à une extrémité du rotor. Ils sont soumis à 1 D action d'un fluide sous pression (par exemple de l'huile) dont l'alimentation est commandée et régulée par la pression d'air délivrée par le compresseur. L'invention concerne en outre une machine comportant un rotor male et un rotor femelle dont les saillies et les creux respectifs sont en prise, ces rotors coopérant entre eux et avec les parois du carter, le fluide étant soumis dans les orifices d'entrée et de sortie à des pressions différentes quand la machine est en fonctionnement et sous charge. Une telle machine est caractérisée par le fait que seul le rotor male est muni de moyens d'équilibrage et de moyens de précharge, tandis que le rotor femelle est muni de moyens de précharge uniquement. L'invention concerne en'outre une machine dont le fluide est comprimé dans au moins deux étages comportant chacun un rotor mâle et un rotor femelle, cette machine étant telle que seul le rotor mâle de l'étage à haute pression est muni de moyens d'équilibrage et de moyens de précharge, les rotors femelles de l'étage haute pression et de l'étage basse pression ainsi que le rotor male de l'étage basse pression ne comportant que des moyens de précharge. La description suivante, en regard des dessins annexés à titre d'exemple non limitatif, permettra de comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente schématiquement une machine tournante selon la présente invention comportant un premier étage de compression et un second étage de compression; la figure 2 represente en détail une machine tournante comportant un rotor male et un rotor femelle selon l'invention, la figure 3 représente plus particulièrement les moyens de précharge d'une machine selon l'invention; la figure 4 représente en détail des moyens d'équilibrage de la machine selon la présente invention; la figure 5 représente un second mode de réalisation de la machine tournante selon l'invention, comportant des moyens de précharge et d'équilibrage situés du même côté du rotor; ; la figure 6 représente une machine tournante selon la présente invention, comportant deux étages de compression et un régulateur de pression du fluide agissant sur les moyens de précharge et d'équilibrage. La machine selon la présente invention comprend notamment un carter 1 présentant des passages et orifices d'entrée et de sortie d'un fluide, un rotor 2 tournant dans le carter et agissant sur le fluide. Sur la figure 1, on a représenté plus particulièrement un compresseur qui comporte un premier étage de compression 3 et un second étage de compression 4, chaque étage de compression comportant un rotor mâle 2, 2' et un rotor femelle 5, 5'. chaque rotor mâle comporte des saillies qui viennent s'engrener dans les creux respectifs du rotor femelle 5, 5'. Les arbres 6, 6' des rotors mâles 2 et 2' sont entraînés par un moteur 7 par l'intermédiaire d'un accouplement 19 et des pignons hélicoidaux 8, 8'. Lors du fonctionnement en charge d'une telle machine, le rotor, et plus particulièrement le rotor mâle 2, 2' est soumis à une poussée axiale F1 due à la pression exercée par le fluide comprimé. Cette poussée axiale Fl est dirigée vers les arbres d'entraînement 6 et 6'. Selon l'invention, les rotors mâle et femelle 2, 2', 5, 5' tournent dans des paliers 9, 10, 11 et 12. Ces paliers sont, par exemple, des paliers à rouleaux. Selon l'invention, le rotor mâle plus particulièrement le rotor mâle 2' du second étage de compression, comporte en combinaison un seul palier axial de butée 13 qui est soumis à des forces axiales, notamment à la poussée axiale F1 due à la pression exercée par le fluide comprimé lors du fonctionnement en charge, des moyens de précharge 14 ayant pour fonction, en premier lieu lors du démarrage, d'assurer sur le rotor 2' un effort axial supérieur à celui provoqué par les effets d'inertie et de sens opposé, et en second lieu, lors du fonctionnement à vide, d'exercer un effort axial minimal sur le palier de butée 13. Enfin, le rotor 2 comporte des moyens d'équilibrage 15 ayant pour fonction d'exercer sur le rotor 2' un effort axial F2 opposé à la poussée axiale F1 pendant le fonctionnement en charge. Selon l'invention, seul le rotor mâle du second étage de compression comporte à la fois des moyens de pré- charge 14 et des moyens d'équilibrage 15 tandis que le rotor femelle 5, 5' du premier étage de compression et du second étage de compression, ainsi que le rotor mâle 2 du premier étage de compression, ne comportent que des moyens de précharge 14. En effet, seul le palier de butée 13 du rotor mâle 2' du second étage de compression demande à être soulagé. C'est pourquoi, seul le rotor mâle 2' comporte des moyens d'équilibrage 15. Selon l'invention, les moyens de précharge 14 et d'équilibrage 15 sont constitués chacun par un piston rotatif 16, 17 et un cylindre 18 solidaire du carter. Le piston étant solidaire du rotor tourne dans ce cylindre et subit sous l'action d'un fluide une poussée axiale. Le fait que l'on utilise un premier piston rotatif 16 comme moyen de précharge et un second piston rotatif 17 comme moyen d'équilibrage plutôt que des pistons statiques permet selon l'invention, de n'utiliser qu'un seul palier de butée alors que dans les dispositifs de la technique antérieure, il était nécessaire d'utiliser, notamment pour l'équilibrage, deux paliers identiques, par exemple deux roulements à billes, dont l'un transmettait l'effort d'équilibrage et l'autre assurait le rôle de butée. On a représenté plus particulièrement sur la figure 2 un mode de réalisation préféré de l'invention. Les pistons rotatifs 16, 17 sont situés de chaque côté du rotor mâle 2'. Sur la figure 5, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention, les pistons rotatifs 16 et 17 étant situés du même côté du rotor, coopérant avec le palier axial 13 de butée. Dans ce mode de réalisation, la surface d'action du piston 17 est annulaire. Dans ce cas, il est nécessaire de prévoir une double étanchéité pour le piston 17, c'est-à-dire une étanchéité propre à chacun des deux diamètres délimitant la surface annulaire du piston. De plus, ce mode de réalisation nécessite, pour le piston 17, un diamètre extérieur plus important, et donc augmente les pertes par frottement des surfaces latérales et frontales de ce piston tournant dans le fluide auquel il est soumis. C'est pourquoi le mode de réalisation préféré de l'invention est celui selon lequel chaque piston rotatif 16, 17 est situé à une extrémité du rotor mâle 2'. Cette disposition permet donc de réduire le diamètre extérieur du piston 17 et, ainsi, de réduire les pertes par frottement des surfaces latérales et frontales du piston 17 qui tourne dans le fluide sous pression. De plus, ce mode de réalisation permet de réduire le nombre de dispositifs d'étanchéité du piston rotatif 17 et de réduire en outre le nombre de pièces nécessaires. Comme on l'a mentionné ci-dessus, seul le rotor mâle 2' du second étage de compression nécessite à la fois des moyens de précharge 14 et des moyens d'équilibrage 15, tandis que le rotor femelle 5, le rotor mEle 2 du premier étage de compression et le rotor femelle 58 du second étage de compression ne nécessitent que des moyens de précharge. En effet, sur les rotors 2, 5 et 5' les efforts axiaux dfls au fluide à traiter sont moins importants, toute chose égale par ailleurs, que ceux qui sont exercés sur le rotor male 21 et il n'y a donc pas nécessité -d'utiliser des moyens d'équilibrage 15. Les pistons rotatifs 16 et 17 sont soumis à l'action d'un fluide sous pression. L'alimentation de ce fluide sous pression est commandée par la pression du fluide à traiter délivré par la machine. Dans le cas d'un compresseur, les pistons 16 et 17 sont soumis à l'action d'une huile sous pression, l'alimentation en huile sous pression étant commandée par la pression d'air delivrée par le compresseur. On a représenté schématiquement sur la figure 6 le circuit hydraulique d'un tel compresseur. Ce circuit hydraulique comporte notamment des moyens de régulation de la pression du fluide agissant sur les pistons rotatifs 16, 17 en fonction de la pression d'air de refoulement. En effet, lors du démarrage de la machine selon l'invention, l'entraînement des rotors 2, 2' étant réalisé à l'aide de pignons hélicoidaux (8, 8') générateurs de poussée axiale, il est nécessaire d'exercer sur le rotor 2' un effort axial supérieur et de sens opposé à celui qui est provoqué par les effets d'inertie. Cet effort axial est exercé au moyen du piston de précharge 16. Lors du fonctionnement en marche à vide, il est nécessaire d'assurer une charge axiale minimale car les roulements à billes utilisés comme paliers de butée nécessitent à grande vitesse un effort axial de précharge à cause de l'effet centrifuge agissant sur les billes. Lors du fonctionnement en charge, il est nécessaire d'exercer sur le rotor 2' notamment le rotor male, un effort axial opposé à celui qui est créé par le fluide à traiter. Cet effort axial est assuré par le piston d'équilibrage 17. I1 est donc nécessaire de prévoir selon le fonctionnement de la machine, des pressions variables de fluide agissant sur les pistons 16, 17. Ainsi, lors du démarrage et lors du fonctionnement à vide de la machine, le piston de précharge 16 doit être actionné. Au contraire, c'est le piston d'equilibrage 17 qui doit être actionné lors du fonctionnement en charge. L'ensemble du circuit hydraulique de la machine représenté sur la figure 6 est constitué de deux circuits 20 et 22. Le circuit d'alimentation en huile de lubrification 20 de la machine comprend une pompe 21 établissant une pression d'environ 2 bar. Le circuit d'alimentation 22 d'huile pour les pistons comporte une pompe 23 établissant une pression d'huile de 25 à 30 bar environ. Le circuit 22 comporte un filtre 14 et une première soupape de décharge 25 en dérivation, ainsi qu'un régulateur de pression d'huile 26. Le régulateur de pression 26 est soumis directement à la pression d'air de refoulement du compresseur, utilisée comme fluide de commande (conduite 27). Le régulateur de pression comporte donc une entrée 28, l'huile ayant une pression comprise entre 25 et 30 bar environ et deux sorties 29, 30.Une première sortie 29 alimente les différents pistons 26 de précharge, tandis que la seconde sortie 30 alimente le piston d'équilibrage 17. Dans le cas d'un compresseur à deux étages, il existe quatre pistons 16 de précharge. Ainsi, lors du démarrage de la machine et pendant le fonctionnement à vide, la pression de refoulement étant sensiblement nulle, le régulateur de pression 26 alimente uniquement les pistons de précharge 16. Lors du fonctionnement en charge de la machine, le régulateur de pression 26 alimente uniquement le piston d'équilibrage 17. Si la pression d'air de refoulement subit des montées et descentes, pendant les régimes transitoires, par l'intermédiaire du régulateur de pression 26, il est possible de faire croître ou décroître les pressions respectives de l'huile des pistons de précharge 16 et du piston d'équilibrage 17. Une seconde soupape de décharge 31 est placee sur le circuit 29 de précharge et est tarée à une valeur inférieure à celle de la première soupape de décharge 25, ce qui permet d'obtenir des pressions de précharge et d'équilibrage réglables et une certaine souplesse pour le dimensionnement des pistons. Ainsi un avantage de l'invention est que le roulement ou le palier axial utilisé est soumis quelque soit les régimes de fonctionnement du compresseur, à des efforts agissant constamment dans la même direction, ce qui est bénéfique à sa tenue mécanique. Ce dernier avantage favorise egalement le rendement de l'appareil car il permet dans le cas présent d'un compresseur de maintenir côté refoulement, un jeu axial faible entre la face du rotor et celle du stator. REVENDICATIONS 1. Machine tournante comprenant un carter (1) présentant des passages et orifices d'entrée et de sortie d'un fluide, au moins un rotor (2') tournant dans le carter (1) et agissant sur le fluide, soumis lors du fonctionnement en charge à une poussée axiale (F1) due à la pression exercée par le fluide à traiter, caractérisée par le fait qu'elle comporte en combinaison un seul palier axial de butée (13) soumis à des forces axiales, des moyens de précharge (14) ayant pour fonction, en premier lieu lors du démarrage, d'exercer sur le rotor (2') un effort axial supérieur à celui de sens opposé provoqué par les effets d'inertie, et en second lieu lors du fonctionnement à vide, d'assurer un effort axial minimal sur le palier de butée (13) et éventuel- lement des moyens d'équilibrage (15) ayant pour fonction d'exercer sur le rotor (2') un effort axial (F2) opposé à la poussée axiale (F1) pendant le fonctionnement en charge pour soulager le palier de butée (13). 2. Machine selon la revendication 1, caracté- risée par le fait que les moyens de précharge (14) sont constitués par un premier piston rotatif (16) et que les moyens d'équilibrage (15) sont constitués par un second piston rotatif (17). 3. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, cajractérisée par le fait que les pis-- tons rotatifs (16, 17) sont situés d'un même coté du rotor (2'). 4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que les pis- tons rotatifs- (16, 17) sont situés chacun à une extrémité du rotor (2'). 5. Machine selon 11 une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les pistons (16, 17) sont soumis à l'action d'un fluide sous pression. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait qu'elle comporte un rotor mâle (2') et un rotor femelle (5') dont les saillies et les creux respectifs sont en prise, le rotor mâle (2') étant muni de moyens de précharge (14) et de moyens d'équilibrage (15), tandis que le rotor femelle (5') ne comporte que des moyens de précharge (14). 7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait qu'elle comporte un étage à basse pression (3) et un étage à haute pression (4), chacun comportant un rotor mâle (2, 2') et un rotor femelle (5, 5'), caractérisée par le fait que seul le rotor mâle (2') de l'étage (4) à haute pression comporte à la fois des moyens de précharge (14) et des moyens d'équilibrage (15), tandis que les autres rotors ne comportent que des moyens de précharge (14). 8. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens de régulation de la pression du fluide agissant sur les pistons rotatifs (16, 17), en fonction de la pression du fluide délivré par la machine. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait qu'elle comporte un circuit (22) d'alimentation à une pression comprise entre 25 et 30 bar, munie d'une soupape de décharge (25), d'une entrée (28) de l'huile dans un régulateur de pression (26) et deux circuits de sortie (29, 30) d'huile, le premier circuit (29) amenant l'huile aux pistons rotatifs de précharge (16) tandis que le second circuit de sortie (30) amène l'huile au piston d'équilibrage (17). 10. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisee par le fait que le régulateur de pression (26) alimente uniquement les pistons de précharge ( & ) lors du démarrage et pendant la marche à vide de la machine tandis qu'il alimente le piston d'équilibrage (17) lors du fonctionnement en charge de la machine.