Brevet FR2632354A1 — publié le 19891208

Dispositif formant joint suiveur pour machine tournante. La présente invention a pour objet un dispqsitif formant joint suiveur pour une machine tournante comprenant un rotor monté à l'intérieur d'un bâti et s'étendant à travers des première et seconde chambres devant être séparées par une barrière étanche aux fluides. Dans divers types de machines tournantes telles que des compresseurs, pompes, turbines, il est nécessaire de disposer des joints d'étanchéité entre divers étages ou chambres de la machine afin d'empêcher des fuites du fluide traité. La réalisation de tels joints à action dynamique devant coopérer avec un organe tournant est particulièrement délicate, d'autant plus que les conditions de fonctionnement du point de vue de la température, de la pression ou de l'attaque chimique sont souvent très sévères. Il s'ensuit que les joints existants ne présentent pas toute l'efficacité souhaitée ou ne possèdent qu'une durée de vie limitée. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un dispositif formant joint capable d'assurer une étanchéité compatible avec les conditions de fonctionnement de la machine tournante considérée tout en présentant une fiabilité et une durée de vie accrues. Ces buts sont atteints grâce à un dispositif formant joint suiveur pour une machine tournante, caractérisé en ce qu'il comprend un anneau flottant disposé concentriquement autour du rotor sans contact avec celui-ci dans la zone de séparation entre les première et seconde chambres, des moyens à grande raideur axiale et faible raideur radiale pour relier l'anneau flottant au bâti, une membrane souple d'étanchéité disposée entre l'anneau flottant et le bâti, au moins un palier magnétique radial actif monté sur l'anneau flottant concentriquement au rotor, au moins un détecteur de la position radiale de l'anneau flottant par rapport au rotor et des circuits d'asservissements pour commander le palier magnétique radial actif à partir des signaux délivrés par le détecteur de position radiale et maintenir en permanence entre l'anneau flottant et le rotor un entrefer de l'ordre de quelques micromètres. Le faible entrefer de l'ordre de quelques micromètres, bien inférieur aux entrefers de paliers magnétiques radiaux destinés au support d'arbres tournants, qui sont de l'ordre de quelques dizaines, quelques centaines voire quelques milliers de micromètres, empêche toute fuite significative de fluide au niveau de l'entrefer. Par ailleurs, la réalisation d'une gaine d'étanchéité entre le bâti et l'anneau flottant qui ne présente que de faibles oscillations dans le sens radial est particulièrement simple. Les paliers magnétiques sont eux-mêmes adaptés pour fonctionner dans des environnements sévères et par suite l'incorporation d'un palier magnétique actif supplémentaire dans un anneau flottant dont la seule fonction est de constituer un joint asservi aux variations de position radiale du rotor ne présente pas de difficulté spécifique. De préférence, l'anneau flottant est muni d'une chemise de faible épaisseur formant enveloppe disposée en regard du rotor en définissant ledit entrefer de quelques micromètres. Avantageusement, la chemise est munie d'une couche de régule sur sa face tournée vers le rotor. Dans la mesure où le faible entrefer du palier magnétique actif ne permet pas de lui associer de palier auxiliaire de secours, la couche de régule formée sur la chemise de l'anneau flottant permet d'éviter une destruction du palier en cas de panne de l'asservissement du palier magnétique. A titre de variante, ou à titre complémentaire, le dispositif formant joint peut comprendre un ou plusieurs barreaux de graphite disposés radialement par rapport au rotor, montés sur le bâti en présentant une face terminale située à une distance du rotor plus élevée que l'entrefer entre l'anneau flottant et le rotor et destinés à venir en contact avec le rotor en cas de défaillance du palier magnétique radial. Les moyens à grande raideur axiale et faible raideur radiale peuvent comprendre au moins trois tiges de liaison parallèles à l'axe du rotor. Selon un mode particulier de réalisation, la membrane souple d'étanchéité disposée entre l'anneau flottant et le bâti présente la forme d'un manchon annelé entourant à distance le rotor. Les circuits d'asservissement du palier magnétique radial à partir des signaux délivrés par le détecteur radial présentent un grand gain pour conférer une raideur élevée, Avantageusement, des nervures ou des rainures sont formées radialement à partir de la chemise du côté opposé à l'entrefer pour former un labyrinthe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique montre en demi-coupe axiale de façon schématique un dispositif formant- joint suiveur conforme à l'invention. La figure unique montre un rotor 1 de machine tournante, qui peut présenter un diamètre par exemple de l'ordre d'une dizaine ou d'une quinzaine de centimètres. Le rotor 1 est monté dans un bâti de machine 4 à l'aide de paliers qui ne sont pas représentés sur le dessin et qui peuvent être de type hydraulique ou magnétique par exemple. A l'intérieur du bâti de machine 4 sont définies au moins deux chambres adjacentes 11, 12 qui se succèdent dans le sens axial et doivent être séparées par une barrière étanche aux fluides traités dans ces chambres 11, 12. Le dispositif selon l'invention est situé au niveau de la séparation entre les deux chambres ou étages de traitement 11, 12 et vise à garantir une étanchéité complète ou quasi-complète entre les deux chambres 11, 12 de façon notamment à ce que les-conditions de pression dans chacune des chambres 11, 12 restent conformes à des conditions de fonctionnement prédéterminées. Le dispositif formant joint comprend essentiellement un anneau flottant 2 qui est concentrique au rotor 1 et se trouve relié au bâti 4 par des moyens de liaison 3 à grande raideur axiale et faible raideur radiale. L'étanchéité entre le bâti 4 et l'anneau flottant 2 est assurée par une membrane souple 38 qui peut prendre la forme d'un manchon annelé ou d'un soufflet concentrique au rotor 1 fixé, à distance du rotor 1, entre une pièce 21 solidaire de l'anneau flottant 2 et une pièce 41 solidaire du bâti 4. Les moyens de liaison 3 à grande raideur axiale et faible raideur radiale peuvent comprendre une tige 31 disposée parallèlement à l'axe du rotor 1 et reliant une pièce 21 solidaire de l'anneau de compensation 2 à une pièce 41 solidaire du bâti 4. La tige de liaison 31, qui est rigide dans le sens axial, mais présente une faible raideur dans le sens radial a pour rôle d'éviter des déplacements axiaux de l'anneau flottant 2 ainsi qu'une mise en rotation de celui-ci autour du rotor. La tige 31 destinée essentiellement à encaisser des chocs passagers peut présenter un faible diamètre, de l'ordre du millimètre ou de quelques millimètres, et constitue une suspension de fréquence propre faible par rapport à la vitesse de rotation du rotor. La fréquence propre de la suspension par tiges 31 peut ainsi être de l'ordre de 5 Hz pour une fréquence de rotation du rotor de 50 Hz. Afin d'éviter des torsions, il est avantageux d'utiliser au moins trois, et de préférence six à douze tiges 31 parallèles réparties autour du rotor 1 pour relever l'anneau 2 au bâti 4. Les tiges de liaison peuvent être fixées par différents systèmes mécaniques, par exemple, par des vis 34 agissant par l'intermédiaire de pièces métalliques 33 pour immobiliser des pièces d'amortissement 32, par exemple en matière plastique, disposées autour-de la tige 31. Comme on peut le voir sur la figure, les fixations sur la pièce fixe 41 et sur l'anneau oscillant 2 peuvent être identiques. L'anneau flottant 2 comprend essentiellement un support annulaire 20, sur lequel est monté la culasse de stator 51 d'un palier magnétique radial 5. La culasse de stator 51 constituée d'un empilement de tôles ferromagnétiques est de façon classique pourvue d'encoches dans lesquelles sont disposés des enroulements d'électro-aimant 52. Un détecteur radial 6 de la position de l'anneau flottant 2 par rapport au rotor 1 est disposé à proximité du palier radial 5 et forme un bloc annulaire 60 monté sur le support annulaire 20. Le détecteur radial 6 représenté sur le dessin est de type inductif et comprend de façon classique des éléments de détection de position orientés selon deux directions perpendiculaires dans un plan radial par rapport au rotor 1. Le détecteur 6 comprend une culasse de stator 61 en matériau ferromagnétique feuilleté équipée d'enroulements 62. L'anneau flottant 2 comporte sur sa face tournée vers le rotor 1 une chemise 9 formant une enveloppe annulaire qui définit avec le rotor 1 un entrefer 13 de très faible épaisseur e. La chemise 9 présente elle-même une faible épaisseur, de l'ordre de 0,3 à 0,5 mm par exemple et se trouve rapportée sur l'extrémité des pièces polaires des culasses feuilletées 51, 61 du palier magnétique 5 et du détecteur radial 6. La chemise 9 peut être réalisée en un metérisu ferromagnétique de forte perméabilité et de faible résistivité tel que de l'invar ou du supraanhyster.Le chemisage 9 constitue un court-circuit magnétique dont l'influence s'avère négligeable compte tenu de la faible épaisseur de cette tôle et de la faible valeur e de l'entrefer 13 entre la chemise 9 et le rotor 1, qui est maintenue par les circuits d'asservissements 100 du palier magnétique 5 à des valeurs de l'ordre de quelques micromètres. La chemise 9 permet de définir avec précision l'entrefer 13 et joue par ailleurs un rôle pour maintenir l'étanchéité vis à vis de l'intérieur de l'anneau oscillant 2, sur la face annulaire tournée vers le rotor 1 et sur les faces frontales 92, 93. L'entrefer 13 est maintenu à des valeurs très faibles qui sont conditionnées par les dilatations thermiques différentielles entre le rotor 1 et l'anneau flottant 2. Les valeurs d'entrefer e étant dans ce cas pour les diverses applications envisageables de l'ordre de quelques micromètres, il n'est pas possible d'installer des paliers auxiliaires présentant un jeu de l'ordre de la moitié de l'entrefer moyen. Pour éviter une destruction du palier magnétique radial 5 et du détecteur radial 6 en cas de panne de l'asservissement 100 du palier magnétique 5, on forme sur la face de l'enveloppe 9 tournée vers le rotor 1, une couche de régule, c'est-à-dire d'un matériau antifriction, qui évite un endommagement définitif de l'anneau flottant 2 en cas d'atterrissage intempestif sur le rotor 1. A titre d'alternative, ou de façon complémentaire, un ou plusieurs barreaux de graphite 95 peuvent être montés sur le bâti 4, radialement par rapport au rotor 1. La face terminale 96 des barreaux de graphite 95 forme avec le rotor 1 un espace libre 14 qui en temps normal est supérieur à l'entrefer 13 de sorte que les barreaux 95 n'ont aucune fonction en service normal. Toutefois, en cas de défaillance de l'alimentation 100 du palier magnétique 5, le barreau de graphite 95 qui peut être monté sur le bâti 4 par l'intermédiaire de moyens de ressort 94 peut être rapproché sélectivement du rotor 1 pour venir porter contre celui-ci et constituer un moyen de frottement limitant l'usure de l'anneau flottant 2. Les câbles d'alimentation des enroulements 52 du palier 5 et de liaison entre les enroulements 62 du détecteur 6 et les circuits d'asservissement 100 sont guidés dans un conduit souple 80 fixé sur l'anneau 2 par un raccord 81. Les circuits d'asservissement 100 sont de préférence disposées à l'extérieur du bâti 4. Dans le dispositif selon la présente invention le stator 51, 52 du palier magnétique radial 'asservi 5 incorporé dans l'anneau 2 est ainsi soumis à des mouvements d'oscillation autour du rotor a en fonction des déplacements du rotor 1, afin de maintenir en permanence l'entrefer 13 à sa valeur prédéterminée e de l'ordre de quelques micromètres. Les circuits d'asservissements 100 doivent être de haute précision et doivent présenter un grand gain pour conférer une raideur élevée. A titre d'exemple, la bande passante des circuits d'asservissement 100 peut être de l'ordre de 2000 Hz. On notera que le jeu entre l'anneau flottant 2 et le rotor 1 n'a pas besoin d'être supérieur aux déplacements radiaux maximums du rotor 1 comme dans des paliers magnétiques classiques. Au contraire, puisque l'anneau flottant 2 est asservi par le palier magnétique actif 5 incorporé pour suivre les mouvements radiaux du rotor 1, il est possible de maintenir un entrefer 13 très faible conférant une qualité de joint d'étanchéité, l'entrefer 13 n'étant limité en pratique que par les problèmes de dilatations thermiques différentielles. Le joint selon l'invention est efficace aussi bien pour des fluides liquides que pour des fluides gazeux, mais dans ce dernier cas la réalisation doit naturellement être plus soignée. On notera toutefois que dans de nombreux cas, de faibles fuites au niveau de l'entrefer 13 n'affecteraient pas réellement l'étanchéité souhaitée qui réside en fait dans le maintien d'une pression différentielle donnée entre les deux chambres adjacentes 11 et 12. Le dispositif formant joint constitué par l'anneau flottant 2 peut être équipé de moyens complémentaires formant labyrinthe constitués par des rainures ou nervures 7 formées radialement dans la paroi annulaire 9 de l'anneau flottant 2 qui fait face au rotor 1. On dispose ainsi d'un labyrinthe auto-centreur. Le dispositif selon l'invention trouve des applications notamment pour des compresseurs, turbines, pompes, en particulier pompes turbomoléculaires et peut être adapté à des machines à rotor intérieur comme représenté. sur la figure, ou au contraire à rotor extérieur. REVENDICATIONS 1. Dispositif formant joint suiveur pour une machine tournante comprenant un rotor (1) monté à l'intérieur d'un bâti (4) et s'étendant à travers des première et seconde chambres (11, 12) devant être séparées par une barrière étanche aux fluides, caractérisé en ce qu'il comprend un anneau flottant (2) disposé concentriquement autour du rotor (1) sans contact avec celui-ci dans la zone de séparation entre les première et seconde chambres (11, 12), des moyens (3) à grande raideur axiale et faible raideur radiale pour relier l'anneau flottant (2) au bâti (4), une membrane souple d'étanchéité (38) disposée entre l'anneau flottant (2) et le bâti (4), au moins un palier magnétique radial actif (5) monté sur l'anneau flottant (2) concentriquement au rotor (1), au moins un détecteur (6) de la position radiale de l'anneau flottant (2) par rapport au rotor (1) et des circuits d'asservissements (100) pour commander le palier magnétique radial actif (5) à partir des signaux délivrés par le détecteur de position radiale (6) et maintenir en permanence entre l'anneau flottant (2) et le rotor (1) un entrefer (13) de l'ordre de quelques micromètres. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau flottant (2) est muni d'une chemise (9) de fàible épaisseur formant enveloppe disposée en regard du rotor (1) en définissant ledit entrefer (13) de quelques micromètres. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chemise (9) est munie d'une couche de régule (91) sur sa face tournée vers le rotor (1). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des barreaux de graphite (95) disposés radialement par rapport au rotor (1), montés sur le bâti (4) en présentant une face terminale (96) située à une distance du rotor (1) plus élevée que l'entrefer (13) et destinés à venir en contact avec le rotor (1) en cas de défaillance du palier magnétique radial (5). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens (3) à grande raideur axiale et faible raideur radiale comprennent au moins trois tiges de liaison (31) parallèles à l'axe du rotor (1). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la membrane souple d'étanchéité (38) disposée entre l'anneau flottant (2) et le bâti (4) présente la forme d'un manchon annelé entourant à distance le rotor (1). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les circuits d'asservissement (100) du palier magnétique radial (5) à partir des signaux délivrés par le détecteur radial (6) présentent un grand gain pour conférer une raideur élevée. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la bande passante des circuits d'asservissement est de l'ordre de 2000 Hz. 9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que des nervures ou des rainures (7) sont formées radialement à partir de la chemise (9) du côté opposé à l'entrefer (13) pour former un labyrinthe. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est appliqué à des machines tournantes de type compresseur, pompe ou turbine.