Brevet FR2587068A1 — publié le 19870313

Ln présento invention concerne d'une manière généra- le dries paliers à film fluide hydrodynamiques et plus parti- cuiiNremenrit de tel paliers utilisant une pluralité de minces fejiiies pouJr établir et maintenir un film lubrifiant [ I'intrieuJr des paiiers. Les tentatives qui ont été faites récemment pour amPiiorer ies pailers à grande vitesse, tels que ceux uti- iisés dans ies turbo compresseurs employés dans ies groupes de r4friqrration modernes pour le refroidissement et la In ventilation d'aéronefs ainsi que pour d'autres applica- tions, ont conduit au développement de paliers h film flui- de hydrodynamiques tel que ceux décrits dans le brevet IJS-4 415 280 et 4 415 291ql. D'une manière générale les paliers % fii!n fluide hydrodynamiques décrits dans ces brevets fonc- tionnent suivant le principe d'un organe rotatif, tel qu'jn arbre, et d'in élément annulaire adjacent, espacé du précé- dent vers l'extérieur, tel qu'une feuille lisse, lesquels établissent et maintiennent entre eux une couche d'un film fiJide soJus pression. Cette couche de film fluide qui est qJeiqJefois appelée "coin de film fluide", constitue un sipport lubrifié pour l'organe rotatif. Un ressort (élément arrière élastique) est disposé entre la feuille et un organe fixe (appelé quelquefois cartouche, cage de retenue ou base) pour encaisser les flexions de la feuille dues à la mise sojs pression de ceiie-ci, en vue de maintenir une géométrie optimaie de la couche de film, en constituant ainsi un sup- port pour l'organe rotatif et la feuille à l'encontre de la chHrqe dJ palier et des déséquilibres tels que tourbillons et DhenomSnes similaires. 31 Rien que les paliers suivant les brevets précités présentent des avantages appréciables tel qu'un amortisse- mint de CoJiomb (par friction) rievé et des facilités de fabrication accrues, ainsi qu'une résistance à l'emboîtement des feuJiies, ii peuJt être désirabie d'employer queiquefois une piJrniité de feuiiies séparées, réparties suivant la cirronférence tout aJtour de l'espace entre l'organe rotatif Ft sa cane de retenue, N la place de feiilles annulaires s'étendant s-Jr la totalité de ia circonférence. Ii est sup- pos6 qu e chacune des feuiiles de ia pliraiité de feuilles est capable de réanir plus rapidement qJ'une feuiiie unique de forme gqnérale annulaire, vis-à-vis des excentricités du paiier, des variations de ia charge et d'autres modifica- tions dans les caractéristiques de fonctionnement, pour ajuster la géométrie do film fluide lubrifiant afin de com- penser de teiies variations des caractéristiques de fonc- tionnement. Lorsaue ies dimensions du oroupe dans lequei de teis paliers sont employés, augmentent, la vitesse a laquel- ie ies feuilies réagissent aux variations des conditions de fonctionnement devient de plus en plus critique. Pour un groupe important des paliers hydrodynamiques utilisant de telies répartitions annulaires de feuilles relativement courtes peuvent être exigés. Rien que la technique antérieure suggère divers schémas de montage d'un certain nombre de courtes feuilles dans un intervalle entre un organe rotatif et une cage de retenu fixe, généralement ces constructions sont loin de présenter i'accrotssement de l'amortissement de Coulomb dont ii est question dans les paliers suivant les brevets US précités. Certaines des diverses solutions suivant la tech- nique antérieure mettent en oeuvre des feuilles se chevau- chant. chacune de ces feuilles supportant radialement une portion d'une feuille adjacente, ainsi qu'ii est décrit dans ie brevet US-4 178 n46. Bien que tels paliers puissent fonc- tionner d'une manière satisfaisante dans certaines condi- tions, on a constaté que dans des conditions de fonctionne- ment particulières et avec certaines orientations des feuii- les se chevauchant, les feuiiies adjacentes tendent à in- fiuencer ie fonctionnement ies unes des autres en ce qui concerne ia formation et le maintien de la géométrie du film fijide iJbrifiant, qui se traduit souvent par une instabili- té corrélative dans le fonctionnement du palier. En outre ies couches de feuiiles multipies et ies couches de revête- ment anti friction sur les feuiiies associées à de telles dispositions à chevauchement gênent ie refroidissement par ventilation du paiier et affectent ainsi d'une manière néfaste ia durée de vie uJtiie et ia fiabilité du paiier. Pour éviter ces inconvénients q'ui sont liés aux feuiiies se chevauchant, une solution qui pourrait être suqqgérée d'elle-même, serait de disposer les feuilles sui- vant une disposition sans chevauchement, chaque feuille étant fixes, h l'une de ses extrémités, à la cage de retenue et étant supportée, h son autre extrémité, par une entretoi- se ou -jn élément similaire. Cependant une telle disposition non seulJiement augmente la complexité du palier mais encore rend impossible l'obtention de géométries optimales du film 1i riJide. Dans certaines des dispositions de montage des feuilles dont il a été question ci-dessus, les extrémités des feuJilies sont fixées à des cales de section droite car- rée ou rectangulaire lesquelles sont logées dans des rainu- res correspondantes prévues dans la cage de retenue. Cepen- dant avec de telles dispositions les moments de flexion élevés des feuilles qui résultent de la mise sous pression du paiier, risquent sérieusement de provoquer le désengage- ment au moins partiei des caies en dehors des rainures, ce désengagement affectant d'une manière néfaste le maintien de géométries optimales du film fluide. Bien qJ'une précon- trainte croissante des feuilles (augmentant la force élasti- qJe que ies feuilies exercent sur l'organe rotatif dans des conditions statiques) puisse compenser dans une certaine 29 mesure les moments de flexion élevés apparaissant dans les feuJiiies, cette précontrainte accrue a pour effet d'augmen- ter ia perte par tourbillonnement liée au fonctionnement du palier, ce qui réduit la cap-acité du palier et accroit le cou.pie de démarrage exigé pour surmonter le frottement sta- 3n tiqje dans le palier. Une autre disposition qui permettrait de résoudre le probhime du désenqagement des caies hors des rainures cor- respondantes, consisterait à fixer directement les extrêmi- t4s des feuilles à la cage de retenue, par soudage, brasage OJ des techniques simiiaires. Cependant de teiies techniques risquent de provoquer une distorsion des feuilles et par conséqjent de réduire la capacité du palier en ce qui con- 258706 8 eerne ia charge supportée, tout en rendant les réglaqes de ia forme. des feuilles, après assemblage dans le palier, difficile sinon impossibles à effectuer. Par conséquent un but principal de la présente invention est de fournir un palier à film fiuide hydrodyna- minue amdiioré ayant une répartition circonférentielle d'une piJuralité de feuilles dans un intervalle entre des organes de paiier fixe et rotatif. Un autre but de la présente invention est de four- nir un palier caractérisé par une stabilité et un refroidis- sement par ventilation accrus. Un autre but de la présente invention est de four- nir un paiier caractérisé par une fixation efficace des feuilles i l'organe fixe du palier. Un autre but de la présente invention est de four- nir un palier caractérisé par une capacité d'encaissement de charge accrue. Un autre but de la présente invention est de four- nir un. paiier caractérisé par un faible couple de démarrage exigé et de faibles pertes par tourbillonnement en fonction- nement. Un autre but de la présente invention est de four- nir un paiier caractérisé par une facilité accrue de fabri- cation. Ces buts ainsi que d'autres, qui ressortiront d'une manière apparente de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, sont atteints au moyen d'une piuralité de feuilles élémentaires lisses, réparties suivant la circonférence autour d'un intervalle défini par les par- 3n ties fixe et rotative d'un paiier hydrodynamique, chaque feuiile élémentaire étant fixée à une cale présentant une section droite en queue d'aronde qui est logée dans une fente de même forme prévue dans l'organe de retenue fixe. L'extrémité opposée de la feuille est supportée par un organe iélastique arrière, si on ie désire, ou par la surface interne de la cage de retenue, si bien que la feuille s'é- tend sensibiement en porte-à-faux 8 partir de ia cale à section droite en queue d'aronde. Un tei mode de maintien de chaoje feuille permet de résister efficacement au désengage- ment des feuilles iémentaires par rapport -à la cage de, retenue sous l'effet des contraintes de flexion à l'inté- rieur de la feuille qui résultent de la mise en pression normale du palier. En outre ce maintien de la feuiile dans i' palier réduit au minimum la précontrainte requise pour la fpJiiie, ce qui accroît par conséquent ia capacité du pa- linr, réduit au minimum le couple de démarrage exigé pour sJrmonter ie frottement statique et réduit égaiement aJ ln minimum ies pertes par tourbillonnement qui resuitent du fonctionnement à grande vitesse du palier. Puisque des feuilles se chevauchant ne sont plus employées, le refroi- dissement du paiier est amélioré. Dans ia forme d'exécution préférée de l'invention chaque feuille peut être disposée de manière) s'étendre audessus d'un organe élastique arrière correspondant qui est également monté dans la cage de rete- nue au moyen d'jn assemblage du type à queue d'aronde, la caie et la rainure de montage pour chaque élément arrière étant voisines de à celles de la feuille élémentaire s'éten- dant au-dessus de lui si bien'que l'élément arrière et la feuille élémentaire s'étendent dans des directions circon- fsrentieiies opposées à partir de leurs extrémités fixées afin d'accroître l'amortissement de Coulomb. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, jne forme d'exécution de ia présente invention,en référence aJ dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en bout du palier à film fiJide hydrodynamique suivant l'invention. La figure 2 est une vue en bout partielle, à plus zn qrande échelle, du paiier suivant l'invention, pour repré- senter des détais de construction de celui-ci. Si on se réfère maintenant h la figure 1, on voit nJ? ie paiier à film fiuide hydrodynamique 10 suivant l'in- vention comporte un élément de retenue fixe 15 connu égaie- ment sous le nom de cage ou "cartouche" qui loge un arbre ou touriiion rotatif 2n adapté pour être relié à un rotor à qrande vitesse d'un équipement tel que moteur électrique ou turbocompresseur. comme ceux employés dans un groupe de réfrigération pour le refroidissement et la pressurisation de cabines d'avions. La cage de retenue 15 et je tourillon définissent entre eux un intervalle annJlaire 25 dans lequel sont logées des feuiiles lisses élémentaires 30 ré- parties tout autour de cet intervalle, sans se chevaucher. Rhacjne des feuilles éiémentaires s'étend sensiblement sur in totalité de la iongueur du palier (dans jne direction uerpendicuiaire au plan du dessin) et, comme on peut mieux ie voir sur la fiqure 2, eile est logée, i i'ine de ses 1(l extr-mités,entre une cale 35 à section droite en queue d'a- ronde et une rainure longitudinale 40 de même forme dans laquelle est logée cette cale. Les feuilles sont insérées entre i'une des surfaces latérales obliques de la cale et une surface oblique correspondante de la rainure, sans qu'il soit nécessaire de procéder à un soudage, un collage ou une opération similaire. Les rainures 40 à section droite en queue d'aronde sont espacées les unes des autres d'une distance au moins égaie à la longueur des feuilles élémentaires 30 dans le sens de la circonférence. Chaque feuille élémentaire 30 s'étend au-dessus d'un organe arrière élastique (ressort ondulé) 45 qui est inséré, à l'une de ses extrémités, entre la cale et la rainure en queue d'aronde qui sont voisines de la cale et de la rainure entre lesquelles est montée la feuille lisse s'étendant au-dessus de l'organe élastique. Ceci amène chacue feuille élémentaire lisse et chaque organe arrière élastique sous- acent à s'étendre dans des directions opposées dans le sens circonférentiel, h partir des endroits o ces éléments sont fixes, afin d'accroître i'amortissement de Coulomb. Le palier 10 fonctionne suivant ie principe de base de la production d'une pression hydrodynamique dans ie jeu entre ie tourilion 20 et les feuilies 30. Dans des condi- tions théoriques d'une absence de charge, les centres ou axes qeoumétriques du tourillon 20 et de la cage' de retenue coincident généralement. Cependant dans des conditions de fonctionnement réelies il y a toujours une certaine char- rie sur ie tourilion 20 laquelle déplace d'une manière excen- trée i'axe de cet organe par rapport à i'axe de la cage de retenue 15, en définissant des jeux en forme de coin entre le tourillon et ies feuilles. La rotation du tourillon amène i'axe géométrique du tourillon à décrire un mouvement orbi- toi autour de i'axe géométrique de la cage de retenue, ce qji amène corrélativement les jeux en forme de coin à effec- tJer un mouvement orbitai autour de l'axe de la cage de retenue. Comme ies spécialistes de cette techniques le com- prendront et en supposant que le palier fonctionne dans 19 i'air,la position excentrée de l'arbre ou tourillon par rapport aux feuiiies et la rotation continue de cet arbre entraTnent l'établissement et le maintien de zones à haute et basse pressions d'air entre l'arbre et les feuilles, ce qJi provoque un écouiement de l'air à partir des zones à haute pression en direction des zones à basse pression, si bien que l'air est "écrasé" entre l'arbre et les feuilles, ce phénomène donnant lieu à un film d'air lubrifiant qui supporte ies charges radiales sur le palier et empêche que i'arbre- ou tourillon ne viennent en contact avec les feuil- ies. Les ressorts ondulés 45 servent essentiellement à deux fins. Ils constituent une garniture -déformable élasti- que qui favorise ia formation des coins de films d'air dont a été question précédemment, en autorisant certaines dé- flexions- des feuiiies dues à la pression exercée sur celle- ci par i'air. Les ressorts donnent également au palier une capacité globale d'encaissement des charges et ils autori- sent ies dépiacements du tourilion ou de l'arbre dus à la charge du tourillon et aux déséquilibres. Ainsi qu'il est 3n bien connj des spéciaiistes de cette technique, les pertur- bations appiiquées au tourillon 20 sont amorties par la compression ou l'écrasement du film fijide entre le touril- ion et ies feuiiies adjacentes, par la compression des on- dJiations des ressorts ondulés 45 et par l'amortissement de CoJiomb (contact à frottement) entre les feuilles et les orqanes éiastiques arrière lorsque ces feuilles exercent une compression sur ceux-ci. Pour obtenir un amortissement de CnJiomb accruJ ies feuiiies et les ornanes élastiques arrière s'étendent dans des directions circonférentielles opposées è partir des extrémités ou ces éléments sont fixes à la cage de retenue 15. On peut voir ainsi que la pression du film fluide entre le tourillon et les feuilles, laquelle s'exerce radialement vers l'extérieur, soiiicite les feuilles vers l'extérieur contre ies ondulations desressorts ondulés, ce qui provoque une ouverture des feuilles d'une manière géné- rale dans le sens des aiguilles d'une montre. Puisque les ressorts ondulés et les feuilles sont fixés à la cage de retenue 15 à des extrémités opposées, la compression des ressorts ondulés par les feuilles amène les ressorts onduiés à s'allonger dans le sens inverse des aiguilles d'une mon- tre. Ce mouvement circonférentiei opposé entre les feuilles et les ressorts rend maximal le contact à frottement entre ces deux éléments, ce qui accroit la dissipation d'énergie- entre eux et l'amortissement des déplacements radiaux du tourillon. Dans la forme d'exécution préférée de l'invention les feuilles e. ressorts sont formés en matériau connu sous le nom "INCONEL" tandis que les cales sont réalisées en acier. Les dimensions de la cage de retenue, du tourillon, des feuilles et des ressorts dépendent natureliement de i'application envisagée et de La charge attendue devant s'exercer sur le palier. Par exempie, si le palier est uti- iisé dans un turbocompresseur tournant à 95n00O tours par minute, pour un système de conditionnement d'air à recyclage d'air, ies feuilles 30 ont une épaisseur de l'ordre de n,1mm, ies ressorts ont une épaisseur d'environ 0,125mm, le paiier a un diamètre d'environ 3,2cm et une longueur de 4,5cm. On voit donc qu'avec la construction du palier à film fluide hydrodynamique suivant 'iinvention on obtient in accroissement des caractéristiques d'amortissement de Coulomb et par conséquent une stabilité accrue, avec une multiplicité de feuilles individuelles réparties dans le sens de la ciconférence autour de l'intervalle entre les organes fixe et rotatif du paiier. Le montage des paliers et des organes éiastiques arrière au moyen de cales en forme '87068 n de jqueue d'aronde enqaqées dans des rainures de même forme, assure l'intéqrité de ia structure du palier puisque les caies et ies feuiiies demeurent emprisonnées dans ies rainu- res même dans le cas de charges de fiexion maximales dans les feuilies. Un tel montage ferme des feuilles et organes éiastiqjes arrière permet de réduire au minimum ia précon- trainte du palier. Cette réduction de la précontrainte abaisse ie couple de démarrage exigé et permet d'optimiser ia capacité du paiier tout en réduisant aJ minimum ia perte ln par tourbiiionnement qui résulte du fonctionnement normal du paiier. La fixation des feuililes aux caies permet d'usiner aisAment ces feuiiies (ajustement.de ieurs formes) avant leur insertion dans ia cage de retenue. Ceci accroît natj- reilement ia facilité de fabrication du palier. Par aiileurs ie fait qje l'on évite un chevauchement dans ia disposition des feuilles permet d'accroitre ie refroidissement du pa- iier. Bien qu'une forme particulière de la présente inven- tion ait été représentée et décrite, on conçoit que diver- 2n ses variantes d'exécution peuvent être envisagées d'elles- mêmes par ies spécialistes de cette technique. Par exemple, bien que de simples ressorts ondulés aient été représentés comme constituant les éléments arrière élastiques, on con- çoit quje i'on pourrait également employer-un organe arrière ?5 a)ant un taJx d'iélasticité bilinéaire ainsi qu'ii est décrit ians le brevet US-4 415 281. Dans des conditions de charge minimale, ies organes arrière élastiques peuvent même ne pas Ptre indispensabies.En outre, bien que la construction de ia pr4sente invention ait été iliustrée dans ie cadre d'un 3 raiier de touriiion, on conçoit que ie montage au moyen de rales en queue d'aronde et l'extension, dans des directions circonférentieiies opposées, des feuiiies et des organes -arribre éiastiqJes peuvent s'appiiquer, avec une même utiii- té, -un palier de poussée. Dans une teiie disposition les feuiiies et éiments arrière auraient aiors la forme de serments annulaires et seraient fixés à une piaque de pous- s8e de ia même façon ces éléiments sont fixés a la cage de -:,.; -..2587068 ]n retenJe 15. Les cales seraient naturellement logées dans des fentes correspondantes s'4tendant dans des directions radia- les à partir du centre de la plaque de poussée. 1! REVENDTCATTONS 1.- Un palier à film fluide hydrodynamique compre- nant une cage de retenue fixe, un organe rotatif définis- sant, conjointement avec la cage de retenue, un intervalle entre eux, une pluralité de feuilles élémentaires disposées dans cette intervalle et réparties autour de celui-ci dans le sens de la circonférence, l'organe rotatif étant supporté sJr une couche de film fluide sous pression maintenue par ie mouvement de rotation relatif entre l'organe rotatif et les ln feuiiies élémentaires, chacune des feuilles élémentaires s'étendant au-dessus d'un organe arrière élastique disposé dans l'intervalle, ces organes arrière élastiques encaissant ies déflexions des feuilles élémentaires dues à la pression exercée sur celles-ci par la couche de film fluide, ainsi que ies déplacements de l'organe rotatif dus à la charge et aux déséquiiibres de celui-ci, caractérisé en ce que la cage de retenue (15) est pourvue d'une pluralité de rainures (40) à section droite en queue d'aronde, lesquelles sont espacées ies unes des autres d'une distance supérieure ou égale à ia 2n iongueur circonférentielle des feuilles élémentaires, une piJraiité de cales (35) à section droite en forme de queue d'aronde, chacune de ces cales (35) étant logée dans l'une des rainures de la cage de retenue (15), une extrémité de chacune des feuilles élémentaires lisses (30) étant immobi- lisée entre une rainure (40) correspondante et une cale (35) iogée dans cette rainure, de telle façon que les feuiiies (30) soient disposées, à i'intérieur du palier, suivant une orientation circonférentielle, sans se chevau- cher ies unes les autres. 3191 2.- Un palier à film fluide hydrodynamique suivant ia revendication 1 caractérisé en ce qu'une partie de chacun ius organes arrière élastiques (45) est emprisonnée entre Jne rainure (40) et une cale (35) logée dans cette rainure. 3.- Un paiier à film fluide hydrodynamique suivant ia revendication 1 caractérisé en ce qu'une extrémité de chaque organe élastique (45) est emprisonné entre une rai- n-ire (4n) et une caie (35) disposée dans cette rainure, cette rainure (40) et cette caie (45) étant voisines de ia 2S87068 rninire (an) et de caie (35) entre iesqueiies est empri- sonnfe jne extrémité d'une feJiile iisse Pigmentaire (30) s'étendant avdessus de l'organe arrière élastique (45), si bien que cet organe arrière élastique (45) et ia feuille élémentaire iisse (30) se trouvant au-dessus de ii s'éten- dent dans des directions circonférentielies opposées 3 par- tir de leurs extrémités, afin d'obtenir un accroissement de i'amortissement de Cojiomb des dépiacements de l'organe rotatif (20) lorsque ie palier est en fonctionnement. in 4.- Un palier à film fijide hydrodynamique suivant i'une queiconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les extrémités des feuilies élémentaires lisses (30) sont fixées aux cales (35) sans adhérence entre eux. 5.- Un palier à film fluide hydrodynamique suivant ia revendication 4 caractérisé en ce que les cales (3n) sont pourvues de surfaces latérales obliques opposées auxquelles sont attachées les feuilles élémentaires lisses (30). 6.- Un palier à film fluide hydrodynamique suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les organes arrière élastiques (45) ne sont pas fixes aux rainures (40) et aux cales (35).