Brevet FR2630792A1 — publié le 19891103

Palier auxiliaire à stator en graphite pour arbre tournant monté sur paliers magnétiques. La présente invention a pour objet un palier auxiliaire à stator en graphite pour arbre tournant monté sur paliers magnétiques à l'intérieur d'un bâti. Dans la plupart des applications dans lesquelles un arbre tournant est suspendu à l'aide d'une suspension magnétique active asservie à partir de capteurs de la position de l'arbre tournant, des paliers auxiliaires, encore dénommés paliers de secours, qui se présentent généralement sous la forme de roulements à billes ou à rouleaux, sont prévus pour supporter l'arbre pendant l'arrêt de la machine ou en cas d'incident de la suspension magnétique, afin d'éviter un contact entre les armatures rotoriques et les stators des paliers magnétiques lorsque les enroulements des électro-aimants de stator ne sont pas alimentés en courant; et ainsi éviter une détérioration des tôles. Les paliers auxiliaires présentent un jeu avec l'arbre tournant et ne sont pas en rotation en fonctionnement normal. Le jeu des paliers auxiliaires est généralement de l'ordre de la moitié de l'entrefer des paliers magnétiques. Les roulements de secours classiques utilisés en cas de panne de la suspension magnétique peuvent être montés soit sur l'arbre tournant, avec un jeu ménagé entre la bague extérieure et le stator, soit sur le bâti avec un jeu ménagé entre la bague interne et le rotor. Dans un cas comme dans l'autre, lors de l'atterrissage de la partie tournante sur la partie fixe du roulement, le mouvement n'est pas toujours stable et il se produit des contraintes très fortes sur les cages ou les éléments de roulement du palier de secours qui sont alors souvent endommagés. Il s'ensuit que les paliers de secours doivent faire l'objet de fréquents remplacements, ce qui augmente le coût de la maintenance. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un palier auxiliaire pour arbre tournant monté sur paliers magnétiques qui permette, lors d'une défaillance ou d'un arrêt de la suspension magnétique, de recevoir l'arbre tournant sans que des perturbations sensibles soient introduites dans le mouvement de l'arbre lors de son atterrissage et sans que le palier auxiliaire soit soumis à une usure ou une destruction rapides. L'invention vise encore à réaliser un palier auxiliaire dont la structure est simple et le montage est facile à réaliser. Ces buts sont atteints grâce à un palier auxiliaire à stator en graphite pour arbre tournant monté sur paliers magnétiques à l'intérieur d'un bâti, caractérisé en ce qu'il comprend un rotor en acier chromé monté sur l'arbre tournant, un stator en graphite monté sur le bâti et disposé en regard du rotor en ménageant un jeu dont l'épaisseur est inférieure à l'entrefer des paliers magnétiques constituant les supports principaux de l'arbre tournant, un réseau de canaux d'alimentation en liquide débouchant dans l'espace libre ménagé entre le rotor et le stator et des moyens de commande sélective de l'approvisionnement en liquide à travers ledit réseau de canaux d'alimentation. Selon un premier mode de réalisation possible, le palier auxiliaire est de type à jeu radial et comprend un rotor en forme de douille en acier chromé montée sur un tronçon de l'arbre tournant et un stator composé d'au moins une bague en graphite concentrique au rotor, et les canaux d'alimentation en liquide débouchent radialement dans l'espace libre constituant le jeu en plusieurs zones réparties sur le pourtour de la bague. A titre d'exemple, le stator comprend au moins trois bagues en graphite juxtaposées dans le sens axial et montées concentriquement par rapport au rotor et les canaux d'alimentation en liquide débouchent dans l'entrefer par des interstices ménagés entre les différentes bagues du stator. Selon une caractéristique particulière, des gorges de récupération du liquide de lubrification sont formées de part et d'autre du stator dans le bâti au voisinage des extrémités du rotor en forme de douille. Selon un autre mode de réalisation possible, le palier auxiliaire est de type à jeu axial et comprend un rotor constitué par un disque plan en acier chromé perpendiculaire à l'arbre tournant et monté sur ce dernier et un stator composé d'au moins trois coussinets plans en graphite montés sur le bâti face au disque plan du rotor dans un même plan perpendiculaire à l'arbre tournant et les canaux d'alimentation en liquide débouchent axialement dans l'entrefer du palier en plusieurs zones réparties autour de l'axe du rotor et situées à proximité immédiate des coussinets plans du côté le plus proche de l'axe du rotor. Selon une caractéristique particulière, les moyens de commande sélective de l'approvisionnement en liquide à travers le réseau de canaux d'alimentation sont munis de dispositifs réagissant à l'arrêt de l'alimentation des paliers magnétiques pour déclencher l'approvisionnement en liquide. Selon une variante de réalisation, ou à titre complémentaire, les moyens de commande sélective de l'approvisionnement en liquide à travers le réseau de canaux d'alimentation sont munis de détecteurs de température disposés au voisinage du stator en graphite pour détecter la température de celui-ci et déclencher l'approvisionnement en liquide lorsque le stator atteint un échauffement prédéterminé. Dans le cas o l'on souhaite que l'arbre tournant continue sa rotation à vitesse réduite après atterrissage sur des paliers auxiliaires selon l'invention, et afin de réduire la quantité de liquide nécessaire, il est prévu des moyens de récupé- ration du liquide injecté dans l'entrefer du palier et une pompe de recirculation du liquide récupéré pour assurer une réinjection dans une réserve ou directement dans le réseau de canaux d'alimentation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un exemple de palier auxiliaire selon l'invention à jeu radial, - la figure 2 est une vue en coupe axiale, selon le plan II-II de la figure 3, d'un exemple de palier auxiliaire selon l'invention à jeu axial, et - la figure 3 est une vue en coupe selon le plan III-III de la figure 2, montrant une vue frontale du stator du palier auxiliaire de la figure 2. On a représenté sur la figure 1 un palier auxiliaire à jeu radial disposé autour d'une portion 10 d'un arbre tournant 1 monté à l'aide de paliers magnétiques actifs classiques, non représentés, à l'intérieur d'un bâti 5. Sur la figure 1, le palier auxiliaire est monté sur une portion d'extrémité 10 de l'arbre tournant 1 qui présente une section réduite. Le palier auxiliaire selon l'invention comprend un rotor 2 en acier chromé constitué par une douille montée sur l'extrémité 10 de section réduite de l'arbre tournant 1 et immobilisée en rotation par au moins un élément 11 formant clavette qui est fixé sur l'extrémité 10 de l'arbre tournant et coopère avec une rainure 21 formée sur la partie interne de la douille 2. Un stator 3 en graphite, solidaire du bâti 5 est composé de trois bagues 31, 32, 33 en graphite qui sont juxtaposées dans le sens axial de l'arbre 1 et entourent le rotor 2 en ménageant un jeu radial, qui peut être par exemple de l'ordre du dixième de milli- mètre mais est dans tous les cas avantageusement de l'ordre de la moitié de l'entrefer des paliers magnétiques radiaux. Un réseau 4 de canaux d'alimentation en eau de lubrifi- cation est agencé dans le bâti 5 et se termine par des canaux 44, débouchant dans l'espace libre constituant le jeu entre le rotor 2 et le stator 3. Les canaux 44, 45 débouchent radialement dans l'espace libre annulaire formant le jeu du palier auxiliaire et sont répartis tout autour du rotor 2. Les canaux 44, qui peuvent être au nombre de 4 à 8 par exemple sont formés entre les bagues adjacentes 31 et 32 tandis que les canaux 45, qui peuvent être également au nombre de 4 à 8 sont formés entre les bagues adjacentes 32 et 33. Les canaux 44, 45 peuvent être alimentés par des gorges circulaires 42a, 43a situées autour du stator 3 au niveau des jonctions entre les bagues 31, 32 d'une part et 32, 33 d'autre part. Les gorges circulaires 42a, 43a sont elles-mêmes approvision- nées par deux branches secondaires 42, 43 d'une conduite principale 41 d'alimentation en eau située au-dessus du palier auxiliaire. Il est avantageux que des gorges 46, 47 de récupération du liquide de lubrification soient formées dans le bâti 5 de part et d'autre du stator 3 au voisinage des extrémités du rotor 2 en forme de douille. Le rotor 2 peut lui-même comporter une gorge 22 à l'une ou l'autre de ses extrémités pour empêcher un écoulement axial du liquide de lubrification au-delà du palier auxiliaire et renvoyer l'eau vers les gorges 46, 47 de récupération de liquide lubrifiant. Des conduits 48, 49 sont formés dans le bâti en-dessous du palier auxiliaire. Le conduit principal 41 d'approvisionnement en eau et, le cas 6échéanti le conduit principal 49 d'évacuation en eau sont raccordés à un réservoir d'eau sous pression non représenté, qui peut contenir une quantité d'eau pouvant être par exemple de 5 à 15 litres. Le palier auxiliaire qui vient d'être décrit est destiné à fonctionner en palier atterrisseur en cas de défaillance de la suspension magnétique. Le rotor lisse 2 en acier chromé vient porter sur la surface interne également lisse des bagues 31, 32, 33 en graphite lorsque l'arbre tournant n'est plus suspendu normalement par des paliers magnétiques. En l'absence d'autre mesure particulière, il s'ensuit un échauffement du palier auxiliaire par suite des frottements entre le rotor 2 et le stator 3. Ceci pourrait conduire à un endommagement ou une destruction du palier auxiliaire. Toutefois, grâce à l'injection d'eau qui, par centrifugation, se répartit dans tout l'espace libre entre le rotor 2 et le stator 3, le coefficient de frottement entre les pièces en graphite et le rotor en acier chromé est très faible, tant que les vitesses de rotation restent supérieures à quelques tours par seconde. Ainsi, grâce à l'injection d'eau au niveau du palier auxiliaire lorsque celui-ci entre en service, les frottements sont très réduits tant que le rotor tourne encore à une vitesse supérieure à quelques tours par seconde de sorte que le palier auxiliaire ne risque pas d'être endommagé. Lorsque la vitesse de rotation atteint quelques tours par seconde, c'est- à-dire est devenue très faible, le coefficient de frottement augmente fortement et le palier auxiliaire assure l'arrêt de la rotation de l'arbre sans être endommagé compte tenu du faible niveau de vitesse atteint. Des moyens de commande sélective de l'approvisionnement en liquide par la conduite principale d'arrivée 41 à partir du réservoir de liquide sous pression sont prévus pour réagir à l'arrêt de l'alimentation des paliers magnétiques et commander le déclenchement de l'approvisionnement en liquide à travers le réseau 4 dès que le palier auxiliaire est amené à entrer en service par suite de 'la défaillance ou de l'arrêt de la suspension magnétique. L'eau de lubrification injectée dès que le rotor 2 du palier auxiliaire vient en contact avec le stator 3 en graphite permet d'abaisser fortement le coefficient de frottement et par là-même d'empêcher une usure ou un endommagement du rotor 2 et du stator 3 du palier auxiliaire. A titre de variante, il est possible de ne pas injecter l'eau de lubrification dès l'arrêt de l'alimentation des paliers magnétiques de support de l'arbre tournant, mais au contraire de n'injecter l'eau de lubrification dans le réseau 4 qu'avec un certain retard à partir de la défaillance de la suspension magnétique, le retard correspondant à une période de temps pendant laquelle l'échauffement du palier auxiliaire qui se produit à cause du fort coefficient de frottement conduit à une augmentation de la température qui n'affecte pas l'intégrité des éléments constitutifs du palier. Il est alors possible de commander l'injection d'eau à partir des informations délivrées par un capteur de température placé au voisinage du stator en graphite 3. Lorsque le ou les capteurs de température détectent un échauffement atteignant un seuil prédéterminé audelà duquel l'intégrité du palier auxiliaire risquerait d'être affectée, les moyens de commande d'injection d'eau autorisent l'injection de l'eau stockée dans le réservoir. Les capteurs de température peuvent aussi être utilisés comme moyens de détection de sécurité assurant une redondance avec les moyens de détection d'un défaut d'alimentation des paliers magnétiques. Dans ce cas, l'injection d'eau est normalement déclenchée dès l'arrêt de l'alimentation des paliers magnétiques, mais en cas de mauvais fonctionnement du dispositif de détection de l'arrêt de l'alimentation des. paliers magnétiques, le ou les capteurs de température permettent de déclencher l'injection d'eau avant que se soit produit un endommagement du palier auxiliaire. Pour une machine tournante ayant un arbre tournant de plusieurs tonnes, et tournant à vitesse normale à quelques milliers de tours par minute, quelques litres d'eau par minute et par palier suffisent pour une bonne lubrification. Une fois déclenchée la mise en service des paliers auxiliaires radiaux et l'injection d'eau après arrêt ou défaillance de la suspension magnétique active, l'entraînement de l'arbre tournant de la machine est interrompu et l'arrêt de l'arbre tournant peut s'effectuer au bout d'une durée de l'ordre de 2 à 3 minutes. La quantité d'eau de lubrification nécessaire peut être dans ce cas de l'ordre de 5 litres par minute. Dans certaines applications particulières, il est nécessaire de poursuivre la rotation de l'arbre tournant à vitesse réduite pendant une durée qui peut être par exemple de l'ordre de minutes, après l'entrée en service des paliers auxiliaires. Dans ce cas, afin de limiter la quantité d'eau devant être stockée dans le réservoir, il est avantageux de récupérer l'eau de lubrification s'écoulant par le conduit 49 et de la mettre en recirculation, à l'aide d'une pompe soit dans le réservoir, soit directement à l'entrée du conduit principal 41. Les moyens de commande sélective de l'approvisionnement en liquide à travers du réseau 4 de canaux d'alimentation à partir du réservoir peuvent agir sur une vanne par exemple du type javelot disposée entre le réservoir et le conduit principal d'alimentation 41. L'invention s'applique également à un palier auxiliaire à jeu axial. Les figures 2 et 3 représentent un tel palier auxiliaire dont la structure et la fonction sont similaires à ceux du palier auxiliaire à jeu radial de la figure 1, mais dont la configuration est naturellement différente. Le palier auxiliaire des figures 2 et 3 comprend un rotor 102 composé essentiellement d'un disque plan 123 en acier chromé disposé perpendiculairement à l'arbre tournant 110, muni d'une ouverture centrale et monté sur l'arbre tournant à l'aide d'une partie cylindrique 122 formant manchon solidaire du disque plan 123. Un stator 103 monté sur le bâti 105 à l'aide d'éléments de liaison 151, 152, et situés dans un même plan perpendiculaire à l'arbre 110. On voit sur les figures 2 et 3 que les coussinets plans 131, 132, 133 en graphite présentent la forme de secteurs angulaires maintenus en position entre une première bague interne 153 et une deuxième bague externe 154 en acier elles-mêmes fixées par les éléments des liaison 151, 152 sur une plaque de fond solidaire du bâti 105. Les coussinets 131, 132, 133 se projettent légèrement en avant par rapport aux bagues 153, 154 en direction du disque rotorique 123. Le réseau 104 d'alimentation en eau comprend un canal principal 141 d'amenée d'eau qui débouche dans une gorge annulaire 143 dans laquelle prennent naissance plusieurs canaux (six sur l'exemple de la figure 3) parallèles à l'axe de l'arbre 110, régulièrement répartis autour de l'axe de l'arbre 110 et débouchant dans l'espace libre situé au voisinage de la partie interne des coussinets en graphite 131, 132, 133, afin de permettre, par centrifugation une répartition de l'eau de lubrification sur toute la surface des coussinets.131, 132, 133. L'alimentation en eau du résesau 104 de canalisations 141, 142, 143 d'alimentation peut s'effectuer d'une façon tout à fait similaire à ce qui a été décrit en référence au mode de réalisation de la figure 1, à partir d'un réservoir de stockage. La commande sélective d'alimentation en eau peut également être tout à fait semblable à ce qui a déjà été indiqué plus haut. REVENDICATIONS 1. Palier auxiliaire à stator en graphite pour arbre tournant (1;11O) monté sur paliers magnétiques à l'intérieur d'un bâti (5;105), caractérisé en ce qu'il comprend un rotor en acier chromé (2;102) monté sur l'arbre tournant (1;110), un stator (3;103) en graphite monté sur le bâti (5;105) et disposé en regard du rotor (2;102) en ménageant un jeu dont l'épaisseur est inférieure à l'entrefer des paliers magnétiques constituant les supports principaux de l'arbre tournant, un réseau (4;104) de canaux d'alimentation en liquide débouchant dans l'espace libre ménagé entre le rotor (2;102) et le stator (3;103) et des- moyens de commande sélective de l'approvi- sionnement en liquide à travers ledit réseau (4;104) de canaux d'alimentation. 2. Palier auxiliaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est de type à jeu radial et comprend un rotor (2) en forme de douille en acier chromé montée sur un tronçon (10) de l'arbre tournant (1) et un stator (3) composé d'au moins une bague (31,32,33) en graphite-concentrique au rotor (2), et en ce que les canaux d'alimentation en liquide (42,43,44,45) débouchent radialement dans l'espace libre constituant le jeu en plusieurs zones réparties sur le pourtour de la bague (31,32,33). 3.' Palier auxiliaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le stator (3) comprend au moins trois bagues (31,32,33) en graphite juxtaposées dans le sens axial et montées concentrique- ment par rapport au rotor (2) et en ce que les canaux d'alimentation en liquide (44, 45) débouchent dans l'entrefer par des interstices ménagés entre les différentes bagues (31,32,33) du stator (3). 4. Palier auxiliaire selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que des gorges (46,47) de récupération du liquide de lubrification sont formées de part et d'autre du stator (3) dans le bâti (5) au voisinage des extrémités du rotor (2) en forme de douille. 5. Palier auxiliaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est de type à jeu axial et comprend un rotor (102) constitué par un disque plan (123) en acier chromé perpendiculaire à l'arbre tournant (110) et monté sur ce dernier et un stator (103) composé d'au moins trois coussinets plans (131, 132, 133) en graphite montés sur le bâti (105) face au disque plan (123) du rotor (102) dans un même plan perpendiculaire à l'arbre tournant (110) et en ce que les canaux d'alimentation en liquide (142) débouchent axialement dans l'entrefer du palier en plusieurs zones réparties autour de l'axe du rotor et situées à proximité immédiate des coussinets plans (131, 132, 133) du côté le plus proche de l'axe du rotor (102). 6. Palier auxiliaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de commande sélective de l'approvisionnement en liquide à travers le réseau (4;104) de canaux d'alimentation sont munis de dispositifs réagissant à l'arrêt de l'alimentation des paliers magnétiques pour déclencher l'approvisionnement en liquide. 7. Palier auxiliaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de commande sélective de l'approvisionnement'en liquide à travers le réseau (4; 104) de canaux d'alimentation sont munis de détecteurs de tempéra- ture disposés au voisinage du stator (3;103) en graphite pour détecter la température de celui-ci et déclencher l'approvisionne- ment en liquide lorsque le stator (3;103) atteint un échauffement prédéterminé. 8. Palier auxiliaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le liquide de lubrification est de l'eau. 9. Palier auxiliaire selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une réserve de quelques litres de liquide sous pression disposée sur le bâti (5;105). 10. Palier auxiliaire selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de récupé- ration du liquide injecté dans l'entrefer du palier et une pompe de recirculation du liquide récupéré pour assurer une réinjection dans une réserve ou directement dans le réseau (4;104) de canaux d'alimentation. 11. Palier auxiliaire selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir de liquide sous pression disposé sur le bâti (5;105) et une vanne de type javelot est actionnée par lesdits moyens de commande sélective pour provoquer l'approvisionnement en liquide à travers le réseau (4;104) de canaux d'alimentation à partir dudit réservoir. 12. Palier auxiliaire selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 11, caractérisé en ce qu'il présente un jeu entre le rotor (2; 102) et le stator (3;103) dont l'épaisseur est de l'ordre du dixième de millimètre.