Brevet FR2563276A1 — publié le 19851025

La présente invention concerne un ensemble de paliers pour une turbine à gaz destinée à tourner à grande vitesse et équipée d'un réducteur de sortie, l'invention se rapportant également à un moteur compound équipé d'une telle turbine à gaz en vue de sa suralimentation. Le brevet UK n 2 036 185 A décrit un moteur à combustion compound à turbocompresseur, dans lequel une première turbine, entraînée par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à mouvement alternatif, fait tourner un compresseur pour alimenter en air le moteur alternatif, et dans lequel une seconde turbine ou turbine de puissance, également entraînée par les gaz d'échappement du moteur alternatif, fournit de la puissance supplémentaire au vilebrequin du moteur par l'intermédiaire d'un réducteur à engrenages, usuellement un réducteur à deux étages. La roue de la turbine de puissance est montée en porte-à-faux à une extrémité de l'arbre et un engrenage du réducteur est fixé à l'arbre de turbine à son autre extrémité ou dans une zone adjacente. Il est souhaitable que la turbine de puissance soit conçue pour fonctionner à des vitesses extrêmement élevées, par exemple de 100 000 t/min ou plus. A de telles vitesses, des forces de déséquilibre, en particulier de la lourde roue de turbine, prennent des valeurs élevées et doivent être contrebalancées. En même temps, l'engrenage doit être maintenu centré afin qu'il reste dans sa relation nominale d'engrènement avec son engrenage complémentaire du réducteur. En outre on doit amortir des vibrations se produi- sant aux fréquences naturelles de l'arbre. Conformément à la présente invention, une turbine à gaz comprend un arbre, une roue de turbine montée en porte- à-faux à une extrémité de l'arbre, un engrenage adjacent à l'autre extrémité de l'arbre et des paliers supportant l'arbre à rotation, un palier étant adjacent à la turbine et deux autres paliers étant adjacents à l'engrenage et étant situés sur ses côtés opposés, le palier adjacent à la roue de turbine étant un palier flottant et au moins un des paliers adjacents à l'engrenage étant un palier fixe. Un palier flottant est un palier dans lequel un tourillon d'arbre est monté à rotation dans une bague ou coussinet qui est à son tour monté de façon tournante dans un alésage de palier. Il existe par conséquent un film d'huile de lubrification entre le tourillon et le coussinet et un autre film d'huile de lubrification entre le coussinet et l'alésage depalier. Le coussinet peut librement tourner et usuellement il adopte une vitesse qui est environ égale au tiers de la vitesse d'arbre. Le coussinet permet à l'arbre de s'infléchir sous l'effet des forces de déséquilibre et les films d'huile amortissent les vibrations de l'arbre. Un palier fixe est un palier, dans la présente invention, usuellement un palier massif ou lisse, qui est conçu pour maintenir l'arbre avec un axe de rotation qui est fixe. Le palier fixe maintient par conséquent l'engrenage de façon qu'il tourne autour d'un centre sensiblement fixe afin de le maintenir en engrènement correct avec son engrenage complémentaire. Avantageusement, l'espace entre les paliers est inégal de manière qu'au moins un palier, de préférence un palier fixe, ne soit pas placé dans un noeud de vibration de l'arbre. De préférence le palier placé sur le côté de l'engrenage qui est dirigé vers la roue de turbine est un palier--fixe. Dans un mode de réalisation, le palier placé sur le côté de l'engrenage qui est opposé à la roue de turbine est également un palier flottant. Dans un autre mode de réalisation, les deux paliers adjacents à l'engrenage sont des paliers fixes. Usuellement, la roue de turbine est du type à écoulement vers l'intérieur. Généralement le réducteur à engrenagesest un réducteur à deux étages dans lequel un accouplement flexible est incorporé dans l'arbre intermédiaire entre l'engrenage de sortie du premier étage et l'engrenage d'entrée du second étage afin d'isoler la turbine d'oscillations angulaires du vilebrequin. Le Brevet International publié sous le numéro WO 80/00169 ( brevet UK no 2 036 486 A) décrit un moteur à combustion compound comportant un réducteur à engrenages à deux étages entre sa turbine de puissance et le vilebrequin de son moteur à combustion interne à mouvement alternatif. L'arbre intermédiaire est en deux parties dont l'une porte l'engrenage de sortie du premier étage du réducteur et l'autre porte l'engrenage d'entrée du second étage de réducteur. Un dispositif d'isolement contre les vibrations est disposé entre les deux parties de l'arbre intermédiaire et est par conséquent placé à l'intérieur du carter du réducteur à deux étages. Le dispositif d'isolement contre les vibrations est hydraulique ou bien il comporte un arbre de torsion. Conformément à une caractéristique de la présente invention, dans un moteur à combustion compound dans lequel une turbine est accouplée au vilebrequin d'un moteur à combustion interne par l'intermédiaire d'un réducteur à deux étages, l'arbre intermédiaire du réducteur à deux étages comporte un accouplement flexible qui est placé à l'extérieur du carter du réducteur à deux étages et qui comporte du caoutchouc ou un matériau élastique analogue entre ses deux parties. De préférence, l'arbre intermédiaire comprend une broche creuse montée à rotation dans le carter du réduc- teur et portant un engrenage, de préférence l'engrenage de sortie du premier étage du réducteur, ainsi qu'un arbre intérieur, monté à rotation à l'intérieur de la broche creuse et portant à une extrémité un autre engrenage, de préférence l'engrenage d'entrée du second étage du réducteur, l'autre extrémité de l'arbre intérieur étant fixée sur une partie intérieure de l'accouplement flexible dont une partie extérieure est fixée sur une extrémité de la broche creuse. L'utilisation d'un accouplement flexible compor- tant du caoutchouc ou un matériau analogue permet d'obtenir une isolation supérieure de la turbine par rapport à des oscillations du vilebrequin et la disposition de l'accouple- ment flexible à l'extérieur du carter de réducteur facilite le refroidissement de cet accouplement flexible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la fig. 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion compound à turbocompresseur de suralimentation, comportant une turbine à gaz conforme à la présente inven- tion, la figure 2 est une vue en coupe de la turbine à gaz et d'une partie de son réducteur à engrenages, et la figure 3 est une vue en coupe de détail schématique montrant une modification de l'ensemble de paliers de la turbine à gaz. Le moteur à combustion compound représenté sur la figure 1 comprend un moteur à combustion interne à mouvement alternatif, tel qu'un moteur diésel, dont le dessin représente cependant une partie du vilebrequin 10 et un piston associé 11 pouvant coulisser alternativement dans un cylindre 12. Le moteur à combustion compound comprend en outre un turbocompresseur 13 et une turbine de puissance 14. Le turbocompresseur 13 comprend un compresseur radial 15 qui aspire de l'air à partir d'une entrée 16 et qui fournit de l'air comprimé à un collecteur d'admission 17 qui est en communication avec les soupapes d'admission 18 du moteur à mouvement alternatif. Le collecteur d'admission 17 est commun à tous les cylindres du moteur à mouvement alternatif, bien qu'un seul cylindre 12 soit représenté. Les gaz d'échappement sont admis par l'intermédiaire de soupapes d'échappement 19 dans un collecteur d'échappement 20, qui est également commun à tous les cylindres du moteur à mouvement alternatif. Une partie des gaz d'échappement provenant du collecteur 20 s'écoule vers une première roue de turbine 21 qui entraîne le compresseur 15 et le reste des gaz d'échappement s'écoule vers une seconde roue de turbine 22 de la turbine de puissance 14. Les gaz d'échappement sortant des roues de turbine 21 et 22 parviennent dans un tuyau d'échappement 23. Les roues de turbine ont été représentées comme étant du type à écoulement vers l'intérieur mais il va de soi qu'on peut utiliser le cas échéant également des roues de turbine à écoulement axial. Bien que les deux turbines soient représentées comme opérant en parallèle, elles peuvent alternativement être disposées en série de telle sorte que la totalité des gaz d'échappement passent en série dans les deux turbines. La turbine de puissance 14 comprend un arbre à une extrémité duquel est montée en porte-à-faux la roue de turbine 22. L'arbre de turbine 30 est accouplé par un réducteur à deux étages 32 au vilebrequin 10 du moteur à mouvement alternatif afin de transmettre plus de puissance au vilebrequin. Le réducteur à double étage 32 comprend un premier étage 34 et un second étage 36. L'engrenage d'entrée 38 du premier étage est monté sur l'arbre de turbine 30 dans une position adjacente à son extrémité opposée à la roue de turbine 22. L'engrenage de sortie 40 du premier étage 34 est accouplé au moyen d'un arbre intermédiaire 42 avec l'engrenage d'entrée 44 du second étage 36, dont l'engrenage de sortie 46 est monté sur le vilebrequin 10. L'arbre de turbine 30 est monté à rotation dans trois paliers 48, 50 et 52 qui seront décrits dans la suite de façon plus détaillée en référence à la figure 2. L'arbre intermédiaire 42 comprend une broche creuse 54 qui est reliée à l'aide d'un accouplement flexible 56 à un arbre intérieur 58, l'engrenage 34 étant fixé sur la broche creuse 54 et l'engrenage 44 étant fixé sur l'arbre intérieur 58, comme cela sera également décrit de façon plus détaillée dans la suite en référence à la figure 2. En considérant maintenant la figure 2, on voit que le réducteur à étages multiples 32 comporte un carter 60 dans lequel sont montés à rotation l'arbre de turbine 30 et l'arbre intermédiaire 42. La turbine comprend une chambre en spirale ou en volute 62 qui entoure la roue de turbine 22 à écoulement vers l'intérieur et qui part d'une entrée 64 à laquelle le collecteur d'échappement 20 de la figure 1 est relié. La chambre à volute 66 est montée sur le carter de réducteur 60. Le palier 48 qui est placé dans une position adjacente à la roue de turbine 22 est un palier flottant et comprend une bague librement tournante 68 dans laquelle l'arbre de turbine 30 est monté à rotation et qui est elle- même montée à rotation dans le carter 60. Des bagues de blocage sont prévues pour empêcher un déplacement axial de la bague 68. Un système de lubrification classique ( non représenté) est prévu pour maintenir un film d'huile entre l'arbre de turbine 30 et la bague 68 et un autre film d'huile entre la bague 68 et le carter de réducteur 60. La bague 68, qui peut librement tourner, est entraînée à partir de l'arbre de turbine 30 par le film d'huile intérieur et sa rotation est contrebalancée par le film d'huile extérieur de telle sorte que la bague 68 adopte une vitesse de rotation qui soit sensiblement inférieure à la vitesse de rotation de l'arbre , en étant usuellement à peu près égale au tiers de ladite vitesse d'arbre. Le palier flottant 48 est choisi de manière à pouvoir absorber des flexions de l'arbre de turbine 30 sous l'effet de forces de déséquilibre se produisant sous l'action du poids de la roue de turbine 22. Les deux films d'huile contribuent à amortir les fréquences naturelles de vibration de l'arbre de turbine 30. Le palier 50,qui est placé dans une position adjacente à l'engrenage 38 et qui est situé sur le côté de ce dernier qui est dirigé vers la roue de turbine 22, est un palier fixe. il comprend un palier massif lubrifié au moyen du système de lubrification classique. Comme pour le palier 52 placé dans une position adjacente à l'engrenage 38 et - du coté de ce dernier qui est opposé à la roue de turbine 22, il est prévu un palier fixe se présentant sous la forme d'un palier massif lubrifié par le système de lubrification classique ( non représenté). Les deux paliers fixes 50 et 52 maintiennent l'axe de l'engrenage 38 dans une position sensiblement fixe à tous moments. Les paliers 50 et 52 - peuvent être conçus pour maintenir l'axe de l'engrenage 38 de telle sorte qu'il s'écarte de moins de deux microns par rapport au point excentrique d'état stable qui est déterminé par la technologie classique des paliers. Cette fixation de l'axe de rotation de l'engrenage 38 du premier étage 34 du réducteur fait en sorte que l'engrenage d'entrée 38 reste à tous moments en condition correcte d'engrènement avec l'engrenage de sortie 40 du premier étage 34. La baisse de pression au travers de la roue de turbine 22 exerce une poussée dirigée vers la gauche sur l'arbre de turbine 30. Les engrenages 38 et 40 sont des engrenages hélicoïdaux qui exercent une poussée dirigée vers la droite sur l'arbre de turbine 30 mais les poussées exercées vers la droite et vers la gauche, tout en étant dirigées dans des directions mutuellement opposées, ne s'équilibrent normalement pas mutuellement. L'arbre de turbine est par conséquent pourvu d'un système à paliers de butée. Sur la figure 2, le système à paliers de butée comprend trois rondelles de butée 70 et 72 qui sont bloquées entre les faces opposées de l'engrenage d'entrée 38 au moyen d'un manchon 74 et d'un écrou 76. La surface extérieure du manchon 74 consti- tue la surface de tourillonnement du palier fixe 52. Les rondelles de butée 70 et 72 ont un diamètre légèrement plus grand que l'engrenage 38 de manière à entrer en contact avec les flancs de l'engrenage de sortie 40. La poussée axiale résultante s'exerçant sur l'arbre de turbine 30 est par consé- quent transmise à l'engrenage 40 et ainsi à l'arbre intermé- diaire 42 qui est pourvu de son propre palier de butée. Les faces dirigées vers l'intérieur des rondelles de butée 70 et 72 sont de préférence très légèrement coniques de manière à frotter seulement en réalité contre les faces extrêmes axiales des dents proprement dites de l'engrenage 40. La vitesse de frottement est par conséquent relativement faible de sorte qu'une faible friction est engendrée entre les rondelles de butée 70 et 72 et l'engrenage 40. L'engrenage de sortie 40 du premier étage 34 est claveté sur la broche creuse 54 qui est montée à rotation dans le carter 60 au moyen d'un roulement à billes 80 et d'un roulement à rouleaux 82. Le roulement à billes 80 agit comme un palier combiné radial et de butée et il est placé dans une zone adjacente à l'engrenage 40. L'arbre intérieur 58 est monté à rotation à l'intérieur de la broche creuse 54 et il porte à une extrémité l'engrenage d'entrée 44 du second étage 36 du réducteur, dont l'arbre de sortie 46 est représenté sur la figure 1 mais est supprimé sur la figure 2. Comme on peut le voir en référence à la figure 2, l'engrenage 44 est placé à l'extérieur du carter de réducteur 60. L'autre extrémité de l'arbre intérieur 58 est fixée sur la partie intérieure 84 de l'accouplement flexible 56. La partie extérieure 86 de l'accouplement flexible est clavetée sur la broche creuse 54. Les parties intérieure et extérieure 84 et 86 sont reliées entre elles par torsion au moyen d'éléments élastiques 88 qui sont formés de caoutchouc ou d'un matériau élastique analogue. Par exemple des blocs de caoutchouc peuvent être placés entre des doigts, s'étendant radialement vers l'extérieur, de la partie intérieure 84 et des doigts, s'étendant radialement vers l'intérieur, de la partie extérieure 86. En variante ou en addition, les éléments en caoutchouc ou en un matériau analogue peuvent être fixés sur les parties intérieure et extérieure. - En fonctionnement normal, la flexion continue des éléments en caoutchouc ou en un matériau analogue 88 produit dans ceux-ci de la chaleur et la disposition de l'accouplement flexible 56 sur le côté extérieur du carter de réducteur 60 permet un refroidissement approprié de cet accouplement flexible. La figure 3 représente deux modifications au mode de réalisation de turbine représenté sur la figure 2. En premier lieu, le palier 52a qui est placé sur le côté de l'engrenage 38 qui est opposé à la roue de turbine 22 est un palier flottant comportant une bague ou coussinet 69 qui se comporte de la même manière que la bague ou coussinet 68 du palier flottant 48 décrit en référence à la figure 2. Le palier fixe 50 placé sur le côté de l'engrenage 38 qui est dirigé vers la roue de turbine confère une stabilité suffi- sante à l'axe de rotation de l'engrenage 38 pour maintenir ce - dernier dans une condition correcte d'engrènement avec l'engrenage 40. La seconde modification représentée sur la figure 3 consiste dans l'agencement des paliers de butée. A la place des rondelles de butée prévues sur des côtés opposés de l'engrenage 38, des rondelles de butée 71 et 73 sont bloquées au moyen de l'écrou 76 sur l'extrémité de l'arbre de turbine 30 et elles coopèrent avec des faces opposées d'une plaque de butée 75 qui est fixée sur le carter de réducteur 60. Un avantage des ensembles de paliers pour turbine représentés sur les figures 2 et 3 consiste en ce que les turbines peuvent être entraînées en rotation à des vitesses extrêmement élevées, c'est-à-dire des vitesses supérieures à 100 000 t/min, par exemple 105 000 t/min ou même 110 000 t/min. Le réducteur à deux étages est capable de réduire cette vitesse très élevée jusqu'à la vitesse maximale nominale de rotation du vilebrequin du moteur à mouvement alternatif. Les ensembles de paliers de butée représentés sur les figures 2 et 3 sont capables d'absorber les très fortes charges de poussée qui sont engendrées par les engrenages hélicoïdaux du premier étage du réducteur ainsi que par la baisse de pression variable se produisant au travers de la roue de turbine. L'ensemble de paliers permet à la turbine à gaz de fonctionner avec des pertes aussi faibles que possible, ce qui augmente au maximum le rendement mécanique. - L'utilisation d'un palier massif ou lisse comme palier fixe évite des difficultés d'assemblage. Le second palier flottant 52a du mode de réalisation de la figure 3 partage la moitié de la charge du réducteur avec le palier fixe 50 et, du fait de son double film d'huile de lubrifica- tion et des excellentes propriétés d'amortissement, il contribue à supprimer une turbulence dangereuse à demi- vitesse qui pourrait autrement se produire à la vitesse maximale nominale de 105 000 t/min. Le palier massif 50 et les paliers 52 ou 52a sont placés dans des positions aussi rapprochées que possible de l'engrenage 38 afin de maintenir l'axe de rotation de cet engrenage dans une position aussi précise que possible. Les paliers 50 et 52 ou 50 et 52a sont plus rapprochés l'un de l'autre que les paliers 48 et 50. Du fait de cet espacement inégal, le premier mode de vibration d'arbre est bien amorti, puisque les positions des paliers ne coïncident pas avec les noeuds de vibration. Le premier mode de vibration pose généralement un problème dans un turbocompresseur à deux paliers o les positions des paliers coincident avec les noeuds de vibration. i1 REVENDICATIONS 1. Turbine à gaz comportant un arbre (30), une roue de turbine (22) montée en porte-à-faux à une extrémité de l'arbre (30), un engrenage (38) monté dans une position adjacente à l'autre extrémité de l'arbre (30) et des paliers (48-52) supportant l'arbre de façon tournante, caractérisée en ce qu'un palier (48) adjacent à la turbine (22) est un palier flottant et en ce qu'au moins deux autres paliers (50 ou 52) sont adjacents à l'engrenage (38) et sont placés sur des côtés opposés de celui-ci, au moins un des paliers adjacents à l'engrenage étant un palier fixe (50). 2. Turbine à gaz selon la revendication 1, carac- térisée en ce que l'espacement entre les paliers (48, 50, 52) est inégal. 3. Turbine à gaz selon une des revendications I ou 2, caractérisée en ce que le palier (50) placé sur le côté de l'engrenage (38) qui est dirigé vers la roue de turbine est un palier fixe. 4. Turbine à gaz selon la revendication 3, carac- térisée en ce que le palier (52a) placé sur le côté de l'engrenage (38) qui est opposé à la roue de turbine est égaiment un palier flottant. 5. Turbine à gaz selon la revendication 3, carac- térisée en ce que les deux paliers (50, 52) qui sont adjacents à l'engrenage (38) sont des paliers fixes. 6. Turbine à gaz selon une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisée en ce que la roue de turbine (22) est du type à écoulement vers l'intérieur. 7. Turbine à gaz selon une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce qu'un accouplement flexible (56) est incorporé dans un arbre intermédiaire (42) entre l'engrenage de sortie (40) d'un premier étage du réducteur et l'engrenage d'entrée (44) d'un second étage du réducteur afin d'isoler la turbine (22) contre des oscillations de rotation. 8. Moteur à combustion compound, dans lequel une turbine (14) est accouplée au vilebrequin d'un moteur à combustion interne par l'intermédiaire d'un réducteur à deux étages (32), l'arbre intermédiaire (42) du réducteur à deux étages comportant un accouplement flexible (56), moteur caractérisé en ce que l'accouplement flexible (56) est placé sur le côté extérieur du carter (60) du réducteur à deux étages et comporte du caoutchouc ou un matériau élastique analogue (48) entre ses deux parties (84, 86). 9. Moteur à combustion compound selon la reven- dication 8, caractérisé en ce que l'arbre intermédiaire (42) comprend une broche creuse (54) montée à rotation dans le carter de réducteur (60) et portant un engrenage (40), de préférence l'engrenage de sortie du premier étage du réducteur, ainsi qu'un arbre intérieur (58), monté à rotation à l'intérieur de la broche creuse (54) et portant à une extrémité un autre engrenage (44), de préférence l'engrenage d'entrée du second étage du réducteur, l'autre extrémité de l'arbre intérieur étant fixée sur une partie intérieure (84) de l'accouplement flexible (56) dont une partie extérieure (86) est fixée sur une extrémité de la broche creuse (54).