Brevet FR2634262A1 — publié le 19900119

Système perfectionné pour accoupler de façon démontable un corps de rotor à l'arbre de machines rotatives, en particulier de turbines à gaz et de mécaniques d'armures rotatives. La présente invention concerne un système pour accoupler un corps de rotor à un arbre rotatif, ce système étant économique, fonctionnel et simple à réaliser et à vérifier de façon appropriée et permettant de transmettre des couples élevés avec une fiabilité considérable. Ce système n'exige aucun déplacement axial relatif entre les deux corps à accoupler, permet d'obtenir et de maintenir un centrage exact et optimal entre les deux corps à accoupler de sorte qu'il n'est plus nécessaire d'effectuer une opération d'équilibrage finale des deux corps combinés, ce qui se traduit par une inter- changeabilité simple de corps rotatifs équilibrés séparément et permet de monter et de démonter facilement et rapidement le système un nombre illimité de fois à partir d'une zone facilement accessible, le système convenant par conséquent particulièrement bien pour une application dans les domaines des machines rotatives, spécialement des turbines à gaz, et dans le domaine des mécaniques d'armures rotatives. Dans l'état actuel de la technique, quand un corps devant être entralné en rotation, comme par exemple un joint, une roue à aubes ou en particulier le disque rotorique d'une turbine à gaz, doit être monté sur un arbre rotatif de telle sorte que l'on puisse facilement démonter l'accouplement en intervenant à partir d'une zone facilement accessible, être parfaitement concentrique afin de ne pas engendrer de balourd et puisse transmettre des couples élevés, le seul procédé possible, si pour des raisons évidentes le système d'accouplement connu utilisant des clavettes ou des systèmes cannelés embrochables qui affaiblissent l'arbre et introduisent du balourd doivent être exclus, consiste à utiliser un système d'accouplement forcé du type tronconique, tel que celui décrit dans le brevet US 4 516 906. Dans ce système connu, le couple est transmis de l'arbre rotatif au corps de rotor par une interaction radiale entre deux surfaces tronconiques de deux corps devant être accouplés, ceci étant obtenu par un déplacement axial des deux surfaces tronconiques l'une par rapport à l'autre. Plus spéciquement, une extrémité tronconique de l'arbre rotatif est insérée dans une cavité axiale tronconique correspondante du corps du rotor o cette extrémité est bloquée à l'aide d'une barre de traction disposée dans l'arbre creux de manière à tirer l'un vers l'autre les deux corps devant être accouplés, de telle sorte que les deux surfaces tronconiques s'assemblent et s'interpénètrent jusqu'à ce qu'une interaction radiale suffisante soit créée entre elles pour transmettre par frottement le couple requis. Toutefois un tel système d'accouplement présente une série d'inconvénients sérieux qui souvent soulèvent des problèmes au point de nuire à son application. L'inconvénient principal est sans aucun doute le fait que la cavité tronconique du corps du rotor et l'extrémité tronconique de l'arbre, lequel est généralement l'élément fixe comprenant les paliers de support et les paliers de butée, ont toujours présenté un déplacement relatif axial les rapprochant ou les éloignant l'un de l'autre. Ce déplacement qui, dans le cas de grandes dimensions du système d'accouplement, tel qu'une transmission de force motrice entre l'arbre et le rotor dans les turbines à gaz basées au sol, peut atteindre quelques millimètres, pose de sérieux problèmes en raison du risque que des pièces délicates du rotor, telles que les aubes, qui fonctionnent avec leur extrémité extérieure fr81ant une surface conique, peuvent être endommagées par frottement ou peuvent rompre les joints d'étanchéité. En fait, ces risques dans certains cas, font que l'utilisation d'un système d'accouplement du type tronconique forcé dans les turbine à gaz était déconseillée en dépit de son avantage indéniable de rendre l'entretien de telles turbines extrêmement simple car il permet un démontage depuis l'extérieur de la machine. Un autre inconvénient de ce système d'accouplement connu provient de la forme tronconique elle-même des surfaces à accoupler qui, du fait qu'elle est difficile à réaliser et à vérifier, ne permet pas un centrage optimal entre le corps du rotor et l'arbre rotatif. On sait que ceci entraîne un déséquilibre considérable dans l'assemblage au point de rendre l'utilisation d'un système d'accouplement du type tronconique forcé inacceptable si l'on n'équilibre pas ensuite l'arbre et le corps de rotor combinés, de sorte qu'il n'est pas possible de remplacer rapidement des rotors qui ont été équilibrés séparément de l'arbre. Un autre inconvénient est le couple élevé que peut transmettre un tel système d'accouplement. L'objet de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités grâce à un système qui permet un accouplement démontable, efficace et simple, d'un corps de rotor à un arbre rotatif creux sans nécessiter de déplacement axial relatif entre ces pièces à accoupler, cet accouplement ayant une fiabilité considérable et étant par conséquent apte à transmettre des couples importants et permettant, enfin, un centrage optimal entre l'arbre et le corps du rotor de sorte que l'on peut facilement remplacer ce dernier par un autre corps de rotor sans être obligé de procéder à un nouvel équilibrage de l'ensemble à accoupler. On atteint sensiblement cet objetif en utilisant, pour le système d'accouplement, non pas des surfaces tronconiques mais des surfaces cylindriques qui, comme il est bien connu, sont considérablement plus simples à réaliser et à contr6ler. A ce sujet, du fait que ces surfaces d'accouplement cylindriques peuvent être réalisées et contrôlées d'une façon parfaite, il est maintenant possible de maintenir en permanence à un niveau optimal la concentricité ou le centrage entre l'arbre rotatif et le corps du rotor avec un déséquilibre ou balourd minimal, d'effet négligeable, cette condition, en permettant un remplacement simple, rapide et économique du corps de rotor par un autre corps de rotor qui a été équilibré indépendamment et séparément de l'arbre sans nécessiter un équilibrage final, résout un problème extrêmement important de la fabrication en série et ouvre un nouvel horizon pour les machines rotatives, en particulier les turbines à gaz. Le système d'accouplement démontable et de grande fiabilité, n'exigeant pas de déplacement axial des surfaces cylindriques précitées, est rendu possible, selon la présente invention, par le fait que sur la surface d'accouplement cylindrique de l'arbre, dont le diamètre et la longueur axiale sont du même ordre que ceux de la surface cylindrique de la cavité du corps du rotor devant être accouplé, mais cela avec une tolérance suffisante pour permettre un montage libre, on a prévu des cannelures ou rainures longitudinales de très faible profondeur, de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres, leur rôle étant d'agir a la manière de fentes d'allàgement ou de relâchement de pression comme on va l'expliquer ciaprès. Ces cannelures peu profondes (a) s'étendent sur la totalité de la longueur axiale de la surface cylindrique à accoupler, (b) comportent des bords vifs provenant essentiellement de l'usinage mécanique à l'aide duquel ils ont été réalisés, et (c) sont répartis uniformément de façon équidistante sur la circonférence de la surface cylindrique de manière à former essentiellement un bout d'arbre cylindrique cannelé dans lequel les cannelures ont une longueur à peu près égale aux cloisons qui les séparent. On a constaté expérimentalement que l'on obtient le résultat optimal en usinant huit à douze gorges longitudinales espacées de façon équidistante sur la circonférence, car un nombre plus élevé de rainures, par conséquent plus étroites, ne permettrait pas d'obtenir un accouplement efficace tandis qu'un nombre plus faible de cannelures, par conséquent plus larges, crérait des tensions qui soumettraient à des contraintes anormales et trop élevées le corps de rotor à accoupler. Comme ces cannelures ont simplement un rôle d'allègement dont le but est d'éviter un contact et une transmission de pression résultante, il n'est pas nécessaire de les former en respectant des tolérances serrées et de réaliser des surfaces spéciales, grâce à quoi elles sont simples et peu coûteuses à usiner tandis que, du fait de leur faible profondeur, elles n'entra!nement aucune réduction dans la résistance mécanique de l'arbre rotatif. Dans l'extrémité cylindrique cannelée précitée de l'arbre rotatif est formé un alésage tronconique ayant une longueur égale à la longueur de ce bout d'arbre et dont le diamètre principal se trouve à l'extrémité libre de ce dernier, cet alésage coopérant avec un bouchon ou tampon d'expansion tronconique correspondant s'étendant sous la forme d'une barre de traction qui traverse la totalité de l'arbre rotatif creux et qui peut être tirée fortement sous l'effet d'une force prédéterminée appliquée depuis l'extrémité opposée de l'arbre, dans une zone facilement accessible, à l'aide d'un ensemble approprié de cylindre-piston puis bloquée en position à l'aide d'un écrou de blocage tandis que l'ensemble cylindre-piston maintient la barre de traction sous tension avec la force requise. De cette manière, sous l'effet de la force appliquée, un déplacement axial relatif est créé entre les surfaces tronconiques de l'élément d'expansion et de l'alésage, lesquelles surfaces par leur interaction à l'intérieur de l'extrémité cylindrique cannelée de l'arbre rotatif, provoque une dilatation radiale de cette extrémité qui, de ce fait, comprime radialement la surface de la cavité cylindrique du corps de rotor devant être accouplé sans nécessiter de déplacement axial relatif entre l'arbre et le corps de rotor, ce que l'on recherche. Toutefois, cette action de compression radiale élastique se produit, en raison de la présence des cannelures d'allègement longitudinales ménagées dans la surface d'accouplement cylindrique de l'arbre rotatif, uniquement dans les zones non allégées, c'està-dire non évidées. Par conséquent, un état est créé dans lequel une région de compression radiale comprend des zones équidistantes non comprimées qui engendrent un état de tension tel que la déformation élastique résultante donne naissance, en correspondance avec les zones de relâchement, à des parties renflées ou en saillie de la cavité cylindrique du corps de rotor qui pénètrent dans lesdites cannelures longitudinales de l'arbre. Pendant la transmission du couple, ces parties renflées se comportent comme une série de microclavettes qui se sont révélées aptes, dans des essais expérimentaux, à permettre une transmission de couple deux ou trois fois plus élevée que celle pouvant être transmise avec un système d'accouplement forcé du type tronconique de longueur égale et de diamètre normal. Ceci permet d'étendre également le domaine d'application de ce système aux cas dans lesquels le système d'accouplement forcé du type tronconique ne peut pas être utilisé, car il assure une fiabilité de torsion insuffisante pour l'arbre rotatif. De plus, du fait que ces parties en saillie du corps du rotor et que cette expansion radiale du bout d'arbre cannelé sont engendrées par déformation élastiques, il est clair que lorsque l'on cesse d'appliquer la force à l'élément d'expansion tronconique à l'aide de la barre de traction à des fins de démontage, la déformation élastique précitée disparaît et on peut facilement démonter le corps du rotor sans que subsistent des traces de grippage ou adhérence, de sorte que le système peut être démonté un nombre pratiquement illimité de fois. On va décrire ci-après la présente invention en se référant aux dessins annexés qui montrent des modes de réalisation préférés donnés à titre purement illustratif et non limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale partielle de la partie d'une turbine à gaz dans laquelle le système d'accouplement démontable selon la présente invention est utilisé; la figure 2 est une vue en perspective éclatée, à une échelle agrandie, du système d'accouplement démontable représenté sur la figure 1; - la figure 3 est une coupe longitudinale du système d'accouplemont démontable de la figure 2 à l'état monté; la figure 4 montre un détail fortement agrandi du système d'accouplement démontable selon l'invention, cette figure montre également l'effet de l'expansion radiale élastique du système; la figure 5 est une coupe longitudinale partielle d'un mode de réalisation modifié selon la présente invention, cette coupe montrant un système d'accouplement démontable destiné à être appliqué à une mécanique d'armure rotative. En se référant à la figure 1, on voit que la référence 1 désigne l'enveloppe du stator d'un étage moteur 2 d'une turbine à gaz dont le rotor 3, qui consiste sur la figure en deux disques de support d'aubes, est supporté en saillie sur l'arbre moteur 4 par le moyeu 5 de ce rotor, lequel moyeu comporte une cavité axiale cylindrique 6 (voir spéciquement la figure 2) formant la surface d'accouplement intérieure du rotor et dans laquelle est insérée la surface d'accouplement cylindrique correspondante 7 de l'arbre moteur 4. L'arbre 4 est creux et comporte deux pièces d'extrémité, 8 et 9, respectivement, dont la pièce 8 comprend aussi ladite surface d'accouplement cylindrique 7 et qui sont réunies l'une à l'autre par un tube central 10 qui y est monté en étant assemblé sans jeu, l'arbre étant supporté de façon tournante par deux paliers de support il et 12 (voir figure 1) et par le palier de butée 13 coopérant avec la bague de butée 14 de la pièce d'extrémité 8 de l'arbre 4, ces paliers étant supportés par la structure 15 de l'enveloppe 16 de la turbine à gaz. Les deux surfaces d'accouplement cylindrique 6 et 7 ont la mnme longueur axiale et à peu près des diamètres égaux pour que la surface 6 puisse être montée sur la surface 7 d'une manière simple et sans difficulté. Cette surface d'accouplement est pourvue de rainures longitudinales 17 à bords vifs et de très faible profondeur s'étendant sur la totalité de la dimension axiale de la surface 7. Les cannelures 17 sont réparties de façon uniforme et équidistante sur la circonférence de la surface d'accouplement cylindrique 7 de manière à former un bout d'arbre cylindrique cannelé 18 et de présenter une largeur de préférence égale à celle des cloisons 19 qui les séparent (voir spécifiquement la figure 2). Dans un mode de réalisation préféré, les dimensions des cannelures sont choisies de manière qu'un nombre de cannelures compris entre 8 et 12 soient présentes sur le pourtour du bout d'arbre 18. Le trou axial ou alésage 20 du bout d'arbre cylindrique cannelé 18 a une forme tronconique dont le grand diamètre se trouve à l'extrémité libre 21 du bout d'arbre et cet alésage coopère avec un bouchon ou tampon d'expansion tronconique correspondant 22 solidaire d'une des extrémités d'une barre de traction 23 qui s'étend à travers l'intérieur de l'arbre creux 4 pour verrouiller ensemble les surface d'accouplement cylindriques 6 et 7 par interaction radiale sous une force prédéterminée obtenue par voie hydraulique à l'aide d'un ensemble cylindre-piston et maintenue ensuite par un écrou de blocage 24 agissant sur l'autre extrémité filetée 23' de la barre de traction 23 et coopérant avec le bord avant 25 de l'extrémité 9 de l'arbre moteur 4. A ce sujet, le déplacement axial du tampon d'expansion 22 provoqué par la traction de la barre de traction 23 a pour effet que le bout d'arbre 18 subit une dilatation radiale élastique avec pour conséquence que les cloisons 19 de sa surface d'accouplement 7 comprime la surface intérieure du la cavité cylindrique 6 du moyeu 5 du corps du rotor. Cette compression élastique intermittente entraîne une dilatation de la surface intérieure de la cavité 6 qui la fait pénétrer dans les cannelures du bout d'arbre 18 sous la forme de saillie 29 qui se comporte comme des microclavettes pendant la transmission du couple (voir spécifiquement la figure 4). Dans le mode de réalisation modifié représenté sur la figure 5, qui convient particulièrement au domaine des mécaniques d'armures rotatives o les couples qu'il faut transmettre sont beaucoup plus faibles, on utilise un bouchon ou tampon d'expansion tronconique creux 26 qui permet à la barre de traction 27 traversant ce bouchon creux 26 d'être mise sous tension au moyen d'un écrou de blocage 24 agissant à partir de la même extrémité que le bouchon. A cette fin, une extrémité 23' de la barre de traction 27 est filetée pour recevoir l'écrou 24 et l'autre extrémité 28 de cette barre est également filetée afin de pouvoir se visser dans l'arbre rotatif 4' qui n'a plus besoin d'être creux. REVENDICATIONS 1. Système pour accoupler de façon démontable un corps de rotor (3) à l'arbre creux (4) d'une machine rotative, ce système comprenant une barre de traction (23) qui agit à l'intérieur de l'arbre creux de manière à bloquer la surface d'accouplement (7) de l'arbre contre la surface d'accouplement intérieure (6) de la cavité axiale du corps de rotor par interaction radiale, sous une force prédéterminée obtenue à l'aide d'un ensemble hydraulique cylindre-piston et d'un écrou de blocage (24), caractérisé en ce que les surfaces d'accouplement (6, 7) sont sensiblement cylindriques et ont la même longueur axiale et à peu près des diamètres égaux, avec des tolérances suffisantes pour leur permettre d'être montées de façon libre l'une sur l'autre axialement, la surface d'accouplement cylindrique (7) de l'arbre creux (23) étant pourvue de cannelures longitudinales (17) à bords vifs, de très faible profondeur, s'étendant sur la totalité de la longueur axiale de la surface d'accouplement et réparties de façon équidistante sur la circonférence de cette surface de manière à former essentiellement un bout d'arbre cylindrique cannelé (18) à l'intérieur duquel est réalisé un alésage tronconique (20) d'une longueur égale à la longueur de ladite surface d'accouplement cylindrique et dont le diamètre principal se trouve à l'extrémité libre du bout d'arbre, ledit alésage coopérant avec un élément d'expansion tronconique correspondant, solidaire d'une des extrémités de la barre de traction (23). 2. Système pour accoupler de façon démontable un corps de rotor à l'arbre creux d'une machine rotative selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cannelures longitudinales (17) ont une largeur approximativement égale à celle des cloisons (19) qui séparent ces cannelures. 3. Système pour accoupler de façon démontable un corps de rotor à l'arbre creux d'une machine rotative selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le nombre des cannelures longitudinales espacées de façon équidistante sur la circonférence de la surface d'accouplement cylindrique de l'arbre creux varie de 8 à 12. 4. Système pour accoupler de façon démontable un corps de rotor à l'arbre creux d'une machine rotative selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cannelures longitudinales ont une profondeur de l'ordre d'un dixième de millimè tre.