Brevet FR2579718A1 — publié le 19861003

Dispositif d'alimentation en huile de paliers d'arbres L'invention concerne un dispositif d'alimentation en huile de pa- liers d'arbres de machines à arbres disposés horizontalement, en par- ticulier de paliers axiaux de pompes centrifuges, une rondelle de con- tact d'un palier axial étant disposée à l'intérieur d'un logement de palier, le logement de palier étant en relation avec un réservoir d'huile, lui-même relié à un refroidisseur d'huile, une bague dispo- sée dans le logement de palier entourant la rondelle de contact, et la rondelle de contact aspirant l'huile par traînage du réservoir d'huile dans le logement de palier. On connaît des systèmes de lubrification les plus divers pour les paliers d'arbres de telles machines. Il peut s'agir de systèmes externes d'alimentation en huile, ou de réservoirs d'huile configurés sous forme de logements de paliers. On sait aussi qu'on peut disposer le refroidisseur d'huile en dessous d'un logement de palier, et le configurer sous forme de réservoir d'huile; c'est ce qui est par exemple présenté dans le brevet allemand DE-32 03 642. Avec ce princi- pe de réalisation toutefois, le refroidisseur d'huile, à travers le- quel circule en permanence de l'eau de refroidissement, engendre un refroidissement excessif de l'huile lorsque la machine est à l'arrêt. Pour de tels cas, les nécessités des circuits de régulation exigent l'emploi de moyens complémentaires de chauffage de l'huile. On connaît par la demande de brevet allemand DE-33 19 537 un dis- positif d'alimentation en huile d'un palier d'arbre soumis à de fortes sollicitations thermiques, o un logement de palier est disposé à l'intérieur d'un réservoir d'huile jouant le rôle de carter de re- froidissement. L'extrémité de l'arbre est munie d'une roue mobile de pompe centrifuge aspirant l'huile dans le carter d'huile du réservoir., et].a refoulant dans le palier. Le logement de palier est disposé en déport vers le haut dans le réservoir d'huile, afin de fournir dans la zone inférieure un espace pour le carter d'huile. Une construction similaire est connue par le document AT 476/82, "Glacier Designers' Handbook No. 11", de la firme Glacier, Alperton Wembley Middlesex, England. Une rondelle de palier fixée sur une ex- trémité d'arbre est disposée dans un logement de palier disposé 2579 7 13 -2- au-dessus d'un réservoir d'huile. Le logement de palier présente sur son côté inférieur deux orifices par lesquels il est relié au réser- voir d'huile, et la rondelle de contact trempant dans l'huile engendre un refoulement par traînage. La rondelle de contact entoure une bague montée mobile dans le logement, laquelle présente dans sa partie inférieure deux alésages de commande s'étendant vers l'axe de ro- tation, de chacun desquels part tangentiellement un canal d'admission ou selon le cas d'évacuation s'étendant vers la rondelle de contact. Selon le sens de rotation de la rondelle de contact et par suite de la pellicule d'huile qui se trouve là, la bague est pivotée dans ce sens de rotation, et dégage des orifices d'admission ou selon le cas d'évacuation de l'huile, qui correspondent avec ses deux alésages. Si le sens de rotation change, la bague pivote dans le nouveau sens de rotation, engendrant une inversion du sens d'écoulement. L'in- convénient de cette construction est qu'on ne peut exclure sa sensibi- lité aux perturbations suite à des impuretés ou des corps étrangers. Ces derniers peuvent en effet bloqueXr le mouvement de pivotement de la bague, et rendre ainsi l'ensemble de palier hors d'état de fonc- tionner. L'invention a pour but de mettre au point un ensemble de palier permettant de réaliser l'accumulation, la circulation, le refroidis- sement et le filtrage éventuellement nécessaire de l'huile avec un minimum de pièces mobiles et de conduites externes. Selon l'inven- tion, ce but est atteint en ce que le logement de palier est disposé d'une manière en soi connue à l'intérieur du réservoir d'huile, que la rondelle de contact est munie au niveau de sa circonférence extérieure d'une rainure circulaire, qu'une bague en une ou plusieurs parties, fixée dans le logement de palier, s'enfonce dans la rainure de la rondelle de contact en laissant un espace intermédiaire, et que la partie inférieure du logement de palier ainsi que de la bague s'en- fonce dans le carter d'huile, un orifice d'admission en soi connu étant prévu dans les parties du logement de palier et/ou de la bague situées en dessous du niveau d'huile, et un orifice d'évacuation étant prévu dans la partie supérieure du logement de palier. Cette solution permet de ne faire appel à aucune autre pièce mobi- 7 9718 -3- le en dehors de la rondelle de contact qui tourne avec l'arbre. Etant donné qu'elle trempe dans l'huile, et du fait de l'espace intermédiai- re présent entre sa rainure et la bague qui s'enfonce dans cette rai- nure,].a rondelle de contact engendre un refoulement de l'huile par traînage. L'huile se répartit à l'intérieur du logement de palier et le remplit entièrement, et ce indépendamment du sens de rotation. Le remplissage intégral du logement de palier est permis par l'orifice d'évacuation disposé dans].a partie supérieure du logement, par lequel peut s'échapper l'air qui se trouve dans le logement, puis l'huile exécédentaire. On assure ainsi une lubrification correcte et fiable du palier. Afin d'accroître la capacité de refoulement de la rondelle de contact, les surfaces des flancs de la rainure peuvent être grattées, striées, munies d'encoches de refoulement àu munies d'ailettes. Par ailleurs, on obtient une augmentation de la surface de refoulement imprégnée d'huile si les surfaces des flancs de la rainure et de la bague s'étendent en oblique par rapport à la surface de contact du côté frontal de].a rondelle de contact. On agit dans le même sens en prévoyant au niveau du diamètre in- térieur de la bague des poches s'étendant verticalement. Ces poches s'étendant dans le sens circonférentiel présentent un profil d'aspira- tion en spirale et engendrent tant une augmentation de la capacité de refoulement qu'une amélioration des propriétés d'aspiration. Selon une configuration supplémentaire de l'invention, un refroi- disseur d'huile, dont la conduite d'admission d'huile est reliée à l'orifice d'évacuation du logement de palier, est disposé dans le ré- servoir d'huile au-dessus du niveau d'huile et entre le logement de palier et un couvercle prévu du côté frontal, et les conduites d'ap- port et d'évacuation de réfrigérant sont disposées au-dessus du niveau d'huile. Cette configuration apporte plusieurs avantages. Lorsque la puissance de rayonnement du réservoir d'huile ne suffit pas à refroidir l'huile qui se trouve à l'intérieur et qu'il faut employer un refroidisseur d'huile complémentaire, ce dernier est disposé dans le réservoir. Ce refroidisseur peut être relié au logement de palier par des raccords embrochables simples, étanchéifiés par des joints to- -4- riques par exemple. Il n'y a donc pas de problèmes de fuites, l'ensem- ble de l'unité étant de toute façon disposée à l'intérieur du réser- voir. La disposition au-dessus du niveau d'huile du refroidisseur d'huile et des-conduites d'alimentation en réfrigérant garantit l'im- possibilité d'un refroidissement excessif de l'huile en cas de fonc- tionnement intermittent -o si la machine est à l'arrêt, le refroi- dissement ne peut être coupé par suite des exigences des circuits de régulation. On peut donc également se passer des dispositifs de com- mande nécessaires pour couper l'écoulement de l'eau de refroidissement pendant les périodes d'arrêt de la machine. En effet, comme la rondelle de contact ne tourne pas, le logement de palier n'est pas rempli d'huile: il n'y a donc pas non plus de refoulement dans le refroidisseur d'huile, et le refroidissement cesse. Ceci a rendu inu- tile le chauffage du carter d'huile qui était autrement nécessaire. Selon une autre configuration de l'invention, un filtre est dis- posé à l'intérieur du réservoir d'huile, dans la zone comprise entre une conduite 'd'évacuation d'huile du refroidisseur d'huile et l'ori- fice d'admission du logement de palier. Les éventuels résidus de frot- tement de la rondelle de contact ou des éléments du palier sont ainsi filtrés. Selon une autre configuration de l'invention, un palier radial est disposé sur le côté du logement de palier qui est tourné vers l'arbre, palier radial qui est en relation avec le logement de palier pour l'alimentation' en huile, et qui est relié au réservoir d'huile par un alésage ou une conduite interne. On évite donc la présence de conduites externes, coûteuses à étanchéifier. Les seules conduites pénétrant de l'extérieur dans le logement sont celles du circuit de réfrigérant du refroidisseur d'huile. Elles peuvent tout-à-fait être incorporées par soudage dans un couvercle du réservoir d'huile, et ne posent alors plus de problèmes d'étanchéification. Selon une nouvelle configuration de l'invention, la rondelle de contact est munie de canaux de refoulement dont les orifices d'entrée se situent au niveau du côté frontal de la rondelle de contact oppose à l'orifice d'évacuation, et dont les orifices de sortie, de diamètre supérieur, se situent du côté frontal de la rondelle de contact 7 9718 -5.- tourné vers l'orifice d'évacuation. Cette mesure permet à l'huile qui s'écoule dans le compartiment du palier opposé à l'orifice d'évacua- tion d'être ramenée dans le compartiment du palier tourné vers cet orifice. L'huile passant par l'orifice d'évacuation arrive dans le re- froidisseur d'huile, et est ainsi amenée refroidie au carter d'huile. Le palier radial monté en aval du logement de palier est alimenté en huile par la fente de passage de l'arbre, au moyen d'un flux partiel qui provient de l'intérieur du logement de palier, o règne une sur- pression. Cette huile est ensuite ramenée du palier radial au carter d'huile par un alésage ou autre moyen similaire. Si de telles machines doivent être employées en présence de tem- pératures extérieures très basses, par exemple dans des régions polai- res ou sur des plate-forme de forage offshore, il est possible, afin d'éviter un refroidissement excessif de l'huile suite à un rayonnement thermique trop important du réservoir d'huile, de disposer un moyen de chauffage dans le carter d'huile. Un exemple de réalisation de l'invention est présenté ci-après en référence au dessin schématique annexé, dans lequel: Figure 1 est une vue en coupe transversale de l'ensemble du dispo- sitif, Figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1, Figure 3 est une vue du détail X de la figure 1, selon une autre forme de réalisation possible, et Figure 4 est une vue partielle selon la direction IV de la figure 3. La figure 1 représente un réservoir d'huile 1 dans lequel un loge- ment de palier 2 est disposé en déport vers le haut. L'espace néces- saire dans la partie inférieure du réservoir d'huile 1 pour le carter d'huile 3 est ainsi augmenté. Une rondelle de contact 5 fixée sur l'arbre 4 est disposée à l'intérieur du logement de palier 2; elle est munie au niveau de sa circonférence extérieure d'une rainure cir- culaire 6. Une bague 7, fixée dans le logement de palier 2, s'enfonce dans la rainure 6 de la rondelle de contact 5, et ce de manière à laisser entre ces deux pièces un espace intermédiaire 8. Les éléments de palier 9 disposés dans le logement de palier 2 transmettent les -6- forces axiales en provenance de la rondelle de contact 5. Le remplissage d'huile du réservoir 1 est prévu de façon que le niveau d'huile 10 ne dépasse pas le niveau de la fente de passage in- férieure ll de l'arbre, mais au contraire qu'il atteigne son maximum en dessous de cette dernière. Du fait de la présence dans la partie inférieure du logement de palier 2 de l'orifice d'admission 12, un niveau d'huile 10 de hauteur identique s'établit à l'intérieur comme à l'extérieur du logement de palier 2 lorsque la machine est à l'arrêt. On n'a donc pas besoin de joints d'étanchéité supplémentaires pour l'arbre. Le réservoir d'huile 1 et le logement de palier 2 présentent avantageusement une forme cylindrique. Les axes longitudinaux de ces deux logements peuvent être décalés l'un par rapport à l'autre jusqu'à ce que la fente présente dans la partie supérieure entre le logement de palier et le réservoir d'huile soit pratiquement nulle. L'espace intermédiaire 8 présente une taille qui, lors de la rota- tion de la rondelle de contact 5, engendre l'entraînement conjoint de l'huile qui se trouve dans la région inférieure de la rondelle de contact, dans un segment de cercle du logement de palier 2. Du fait des différences de hauteurs de refoulement inhérentes à ce type de dispositif de pompage, l'huile s'écoule en continu du carter d'huile 3 et par l'orifice d'admission 12.' Lorsque le logement de palier 2 est entièrement rempli d'huile, l'huile retourne dans le carter 3 par un orifice d'évacuation 13 prévu dans la partie la plus haute du logement de palier. Pour agir sur le débit ou encore sur la hauteur de re- foulement, on peut faire varier la taille ainsi que l'allure de la fente intermédiaire 8, par exemple en la prévoyant oblique et/ou pa- rallèle à la surface de contact du côté frontal de la rondelle de contact 5. Lorsqu'on emploie une rondelle de contact 5 en une pièce, la bague 7 est réalisée en plusieurs parties afin de permettre un mon- tage aisé. A l'inverse, on peut réaliser la bague 7 en une pièce et prévoir une rondelle de contact 5 en plusieurs segments. L'orifice d'admission 12 prévu dans la partie inférieure du logement de palier 2 s'étend tant à travers la paroi de ce dernier qu'à travers la bague 7. Au voisinage de l'orifice d'évacuation 13, les dispositifs de sup- 2 5 7 9713 - 7 - port 9.1, qui portent les éléments de palier 9, présentent un ou plu- sieurs orifices de purge d'air 13.1 et d'admission 13.2. Ces orifices, en forme de lumières ou d'alésages, engendrent une élimination totale de l'air du logement de palier 2, et un refroidissement fiable des éléments de palier 9. La surpression qui s'établit dans le logement de palier 2 par rap- port à l'intérieur du réservoir d'huile 1 peut être mise à profit pour alimenter avec un flux partiel d'huile un palier radial disposé à côté du logement de palier 2 dans un compartiment de palier radial 27, et pour faire passer le flux principal par un refroidisseur d'hui- le 14. Si la fente de passage ll de l'arbre est une fente d'étrangle- ment, le compartiment de palier radial 27 reste sans pression, et on n'a pas besoin de moyens complémentaires pour étanchéifier l'arbre vers l'atmosphère. Un joint d'étranglement à labyrinthe du type habi- tuel est suffisant. L'huile utilisée retourne du compartiment de pa- lier radial 27 dans le carter d'huile 3 par un alésage 15. Si le pa- lier radial est lubrifié par bague, ce mode d'alimentation en huile est tout-à-fait suffisant. Mais lorsque le palier radial doit être alimenté en huile sous pression, on peut prévoir un alésage de rac- cordement adéquat entre l'intérieur du logement de palier 2, o règne une pression supérieure, et le compartiment de palier radial 27. En vue d'un éventuel refroidissement de l'huile circulée par la rondelle de contact 5, un refroidisseur d'huile 14 est monté en aval de l'orifice d'évacuation 13. A cet effet, le logement de palier 2 est disposé en déport dans le sens axial à l'intérieur du réservoir d'huile 1, libérant ainsi un espace entre le côté 16 du logement de palier 2, opposé à l'arbre 4, et le couvercle 17 du réservoir d'huile 1, couvercle qui sert ici de moyen de fermeture. Les conduites 18 d'apport et d'évacuation de réfrigérant du refroidisseur d'huile 14 sont installées hermétiquement dans le couvercle 17, au-dessus du ni- veau d'huile 10. Le refroidisseur d'huile 14 peut être relié à l'ori- fice d'évacuation 13 du logement de palier 2 par une simple conduite de raccordement embrochable 19. Pour le refroidisseur d'huile, on peut employer des moyens dis- ponibles sur le marché. Si l'on emploie un refroidisseur à tube double 7 9718 - 8- de type connu, on peut avantageusement prévoir un espace libre très réduit entre le logement de palier 2 et le couvercle 17. Du fait de l'avantageuse disposition du refroidisseur d'huile 14 au-dessus du niveau d'huile 10, il n'y a plus de prélèvement de chaleur dans l'hui- le qui se trouve dans le réservoir 1 lorsque la machine est à l'arrêt et qu'il n'y a donc pas d'écoulement d'huile. Il ne peut donc y avoir de refroidissement excessif de l'huile, imputable à un refroidisseur fonctionnant en permanence. On peut donc également se passer de dispositifs de commande destinés par exemple à couper également l'écoulement du réfrigérant lors d'un arrêt de la machine. Les con- duites d'apport et d'évacuation de réfrigérant 18 servent simultané- ment de moyens de fixation pour le refroidisseur d'huile 14. En cas d'emploi d'une conduite d'évacuation d'huile 20, on peut fixer une cartouche filtrante 21 à son extrémité inférieure. En donnant une forme en U à l'extrémité de sortie de la conduite 20, le filtre 21 pourra être remplacé en le sortant vers le haut par une ouverture 24 pratiquée dans le réservoir d'huile 1, sans devoir pour cela vidanger l'huile ou encore arrêter la machine. Il est tout aussi possible de monter le filtre 21 directement en amont de l'orifice d'admission 12. On assure ainsi que l'huile sortant du compartiment de palier radial 13 soit elle-aussi filtrée. Pour les cas d'application o par suite de températures extérieures très basses -tel que dans des régions po- laires ou sur des plate-forme de forage offshore-, l'action de re- froidissement du réservoir d'huile 1 est supérieure à l'absorption de chaleur de l'huile, on peut installer un moyen de chauffage 22 à l'in- térieur du réservoir 1. Des canaux de refoulement 26 pratiqués dans la rondelle de contact permettent de ramener au refroidisseur l'huile sortant du com- partiment du palier qui est opposé à l'orifice d'évacuation. Les axes médians des canaux de refoulement 26 sont avantageusement disposés en oblique par rapport à l'axe de l'arbre de sorte telle que le diamètre de référence de ces alésages est plus petit du côté opposé -par exem- ple- au refroidisseur de la rondelle de contact 5 que du côté du pa- lier qui est opposé à l'arbre 4. Il se produit ainsi, en fonction de la différence des diamètres de référence, un effet de refoulement 7 9718 - 9 - axial en direction du côté du refroidisseur d'huile. Par un orifice d'admission disposé en conséquence, l'huile sortant de l'intérieur du logement de palier 2 peut alors s'écouler dans le compartiment de pa- lier radial 27, et est ramenée au carter d'huile 3 par l'intermédiaire du passage 15. La figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne II-II de la figure 1. La bague 7 présente, dans sa région située de chaque côté de l'axe de l'arbre, des poches 23 présentant un profil de logement en spirale, qui assistent l'action de refoulement de la rainure 6 pratiquée dans la rondelle de contact 5. L'orifice d'ad- mission 12 présente ici la forme d'une lumière, mais il peut tout aussi bien consister en un ou plusieurs alésages. Le réservoir d'huile 1 présente, dans sa partie supérieure, une ouverture obturable 24, à travers laquelle un filtre 21 peut être remplacé en le sortant par le haut. La figure 3 représente à une plus grande échelle le détail X de la figure 1, avec une autre forme de réalisation de la rainure. On peut voir qu'une rainure 6 pratiquée dans la rondelle de contact 5 est munie sur le côté tourné vers la bague 7 d'encoches 25 qui augmentent l'action de pompage. Ces encoches 25 peuvent être par exemple pratiquées dans la rondelle de contact 5 par alésage ou perçage, avant de pratiquer la rainure 6. La figure 4 est une vue de dessus des encoches 25 pratiquées dans les flancs de la rainure 6, encoches qui augmentent l'action de pompa- ge. Les encoches 25 sont représentées selon la direction IV de la fi- gure 3. - 10 - REVENDICATIONS l.Dispositi-f d'alimentation en huile de paliers d'arbres de machi- nes à arbres disposés horizontalement, en particulier de paliers axiaux de pompes centrifuges, une rondelle de contact d'un palier axial étant disposée à l'intérieur d'un logement de palier, le loge- ment de palier étant en relation avec un réservoir d'huile, lui-même relié à un refroidisseur d'hui]le, une bague disposée dans le logement de palier entourant la rondelle de contact, et la rondelle de contact aspirant l'huile par trainage du réservoir d'huile dans le logement de palier, caractérisé en ce que le logement de palier (2) est disposé d'une manière en soi connue à l'intérieur du réservoir d'huile (1), que la rondelle de contact (5) est munieau niveau de sa circonférence extérieure, d'une rainure circulaire (6), qu'une bague (7) en une ou plusieurs parties, fixée dans le logement de palier (2), s'enfonce dans la rainure (6) de la rondelle de contact (5) en laissant un espace intermédiaire (8), et que la partie inférieure du logement de palier (2) ainsi que de la bague (7) s'enfonce dans le carter d'huile (3), un orifice d'admission (12) en soi connu étant prévu dans les parties du logement de palier (2) et/ou de la bague (7) situées en dessous du niveau d'huile (10), et un orifice d'évacuation (13) étant prévu dans la partie supérieure du logement de palier (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces des flancs de la rainure (6) sont grattées, striées, munies d'encoches de refoulement (25) ou munies d'ailettes. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces des flancs de la rainure (6) et de la bague (7) s'étendent en oblique par rapport à la surface de contact du côté frontal de la rondelle de contact (5). 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, ca- ractérisé en ce que des poches (23) s'étendant dans le sens vertical sont prévues au niveau du diamètre intérieur de la bague (7). 5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce qu'un refroidisseur d'huile (14), dont la conduite d'admission d'huile (19) est reliée à l'orifice d'évacuation (13) du logement de palier (2), est disposé dans le réservoir d'huile (1) 7 9718 - 11 - au-dessus du niveau d'huile (10) et entre le logement de palier (2) et un couvercle du niveau d'huile (10). 6. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, ca- ractérisé en ce qu'un filtre (21) est disposé à l'intérieur du réser- voir d'huile (1), dans la zone comprise entre une conduite d'évacua- tion d'huile (20) du refroidisseur d'huile (14) et l'orifice d'admis- sion (12) du logement de palier (2). 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, ca- ractérisé en ce qu'un compartiment de palier radial (27) est disposé sur le côté du logement de palier (2) tourné vers l'arbre (4), com- partiment qui est en relation avec le logement de palier (2) pour l'alimentation en huile, et qui est relié au réservoir d'huile (1) par un alésage ou une conduite (15). 8. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 7, ca- ractérisé en ce que la rondelle de contact (5) est munie de canaux de refoulement (26) dont les orifices d'entrée se situent au niveau du côté frontal de la rondelle de contact (5) opposé à l'orifice d'éva- cuation (13), et dont les orifices de sortie, de diamètre supérieur, se situent du côté frontal de la rondelle de contact (5) tourné vers l'orifice d'évacuation (13). 9. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 8, ca- ractérisé en ce qu'un moyen de chauffage (22) est disposé dans le car- ter d'huile (3).