Brevet FR2649165A1 — publié le 19910104

La présente invention est relative à une pompe et plus particulièrement à la liaison entre la roue et l'arbre d'une pompe de refroidissement d'un réacteur nucléaire. Une centrale nucléaire comprend de façon classique un réacteur nucléaire, deux générateurs de vapeur et deux circuits de refroidissement du réacteur nucléaire dans lesquels circule un fluide primaire de refroidissement. Dans les centrales nucléaires PWR ou REP (réacteur à eau sous pression), le fluide primaire de refroidissement est de l'eau sous pression de 15,5 MPa. Chaque circuit comprend une branche "chaude" par laquelle le fluide de refroidissement à température élevée circule du réacteur nucléaire vers une première chambre d'expansion de chaque générateur de vapeur. Un échange thermique intervient alors entre le fluide de refroidissement et l'eau dont est alimenté chaque générateur de vapeur. Chaque circuit comprend de plus une branche "froide" dans laquelle le fluide de refroidissement, dont la température a été diminuée par l'échange de chaleur intervenu, circule d'une deuxième chambre d'expansion de chaque générateur de vapeur vers le réacteur nucléaire. Chaque circuit comprend enfin un groupe moto-pompe primaire, implanté sur la branche "froide", qui assure la circulation du fluide de refroidissement. Comme indiqué sur la figure 1 qui représente une vue schématique en coupe partielle d'un groupe moto-pompe classique, les groupes motopompes primaires sont à axe vertical 1, le moteur 2 étant disposé audessus de la pompe 3 par l'intermédiaire d'un support 4. L'aspiration du fluide de refroidissement s'effectue par le bas de la pompe et suivant l'axe de la pompe, son refoulement s'effectuant latéralement, radialement ou tangentiellement. Le guidage de la ligne d'arbre est réalisé, au-dessus de la pompe, par un palier supérieur 5, qui comprend une butée 6 réalisant un guidage axial et un palier guide 7 qui participe au guidage radial, et un palier inférieur 8, qui participe lui aussi au guidage radial de la ligne d'arbre. La butée 6, le palier guide 7 et le palier inférieur 8 sont à patins. La pompe 3 se compose essentiellement des éléments suivants - une partie hydraulique située en zone chaude comprenant une volute 9, une roue 10, un diffuseur 11, un guide d'eau 12, la température de la zone chaude correspondant, en fonctionnement normal, à celle du fluide de refroidissement pompé et étant de l'ordre de 280 3000C, - une barrière thermique 13 disposée au-dessus de la roue 10 et qui a pour rôle, en fonctionnement normal, d'empêcher le flux de chaleur du fluide primaire de refroidissement de remonter vers les parties supérieures du groupe moto-pompe, - un joint d'arbre 14 qui assure l'étanchéité entre le fluide sous pression et l'atmosphère et - un palier hydrodynamique 15 situé au-dessus de la barrière thermique 13, en zone froide, la température de la zone froide étant de l'ordre de 500C. Les pièces en contact avec le fluide primaire de refroidissement sont en acier inoxydable. En référence maintenant à la figure 2 qui montre plus en détail une coupe partielle d'une pompe d'un groupe moto-pompe classique tel que représenté à la figure 1, la roue 10 est montée sur l'arbre 1 par frettage sur une portée tronconique 16 présentant une pente relativement faible. Elle est de plus bloquée axialement par l'intermédiaire d'un écrou 17 qui est placé dans un alésage sensiblement centré sur l'arbre 1 et pratiqué dans le nez de roue 19, et vissé dans l'arbre 1. Dans ce type de pompe, la forme de la roue est telle que son moyeu est relativement court dans le sens axial. De ce fait, l'écrou de blocage se trouve très près de la zone frettée. Une clavette 18 est interposée entre l'arbre 1 et la roue 10, au niveau de la portée tronconique 16, de façon à éviter la rotation de la roue par rapport à l'arbre. Le mouvement de rotation de l'arbre 1 est transmis à la roue 10 par l'intermédiaire de la clavette 18 et du montage par frettage sur la portée tronconique 16. La pompe 3 comporte un conduit d'entrée 20 et un conduit de sortie 21. Lorsque la pompe fonctionne, le fluide de refroidissement est aspiré dans le conduit d'entrée 20, circule à l'intérieur de la pompe comme indiqué par les flèches et est évacué par le conduit de sortie 21. Comme indiqué précédemment, le fluide de refroidissement est à une température d'environ 280-3000C. La roue 10 est montée en porte-à-faux sur son arbre ; son palier de guidage, le palier hydrodynamique 15 est situé au-dessus de la barrière thermique 13. Le palier 15 est lubrifié par le fluide froid d'injection provenant du joint d'arbre 14 dont la température est de l'ordre de 500C. Le surplus de ce fluide d'injection coule le long et vers le bas de l'arbre 1 et rencontre le fluide primaire chaud au niveau du montage roue-arbre. Ce montage se situe donc dans une zone dans laquelle existe un déséquilibre thermique important et qui, en fonctionnement normal; est sujette à des contraintes thermiques non négligeables. De plus, lors de certaines phases de fonctionnement (arrêt, démarrage, coupure et rétablissement d'injection, etc ...), la roue subit des chocs thermiques. Ces contraintes et chocs thermiques sont susceptibles de dégrader momentanément la liaison roue-arbre et causer un léger défrettage. Cependant, sur ce type de pompes, cet incident ne remet pas en cause le comportement vibratoire général du groupe. En effet, le rotor reste parfaitement guidé par ses trois paliers (butée patins 6, palier guide 7 et palier inférieur 8) et le balourd supplémentaire résultant du défrettage de roue n'est pas suffisant pour l'exciter de façon dangereuse. On constate donc que ce type de groupes moto-pompes, dans lesquels le rotor est guidé par trois paliers et la roue montée en porte-à-faux avec un palier, présente un niveau vibratoire global relativement élevé. Quoique non dangereux pour la tenue mécanique de la pompe dans le temps, il s'est avéré intéressant de chercher à diminuer ce niveau vibratoire. Pour cela, on a choisi, dans les nouveaux groupes moto-pompes, de supprimer le porte-à-faux de la roue en plaçant un palier hydrostatique sur la ceinture extérieure de celle-ci. Le palier hydrodynamique 15 permettant le guidage de la roue dans les groupes classiques est supprimé et peut être remplacé par exemple, par une bague de portance. Cette bague ne fonctionne pas en permanence mais constitue un dispositif de secours assurant un certain guidage en cas de mauvais fonctionnement du palier hydrostatique, notamment si l'alimentation de ce dernier est défectueuse. Une telle bague de portance est notamment décrite dans le brevet FR-2 483 534 de la demanderesse et concernant un dispositif de sécurité pour groupe motopompe. Cette configuration impose que la liaison roue-arbre reste constamment rigide. En effet, la roue supportant le palier, -une augmentation de la souplesse de sa liaison rend le palier hydrostatique de la roue pratiquement inopérant et modifie énormément la structure du rotor du groupe. A la limite, celui-ci ne serait plus guidé que par les paliers à patins du moteur. Ce fait induit un comportement vibratoire qui naturellement est intolérable pour une pompe nucléaire. Si l'on souhaite utiliser, pour ce nouveau type de pompes, le montage roue-arbre décrit précédemment pour les groupes moto-pompes classiques, le montage sera situé, comme auparavant, dans une zone dans laquelle existe un déséquilibre thermique important. Par ailleurs, les éventuelles modifications des caractéristiques hydrauliques du circuit primaire du réacteur introduisent des modifications de formes de la roue par rapport à celles présentées par les roues des groupes moto-pompes classiques. Ainsi, la roue peut présenter un moyeu plus long dans le sens axial. De plus, le diamètre de la roue au niveau du nez de roue peut être plus faible. De ce fait, si l'on utilise le montage roue-arbre classique, il apparait nécessaire d'implanter la portée tronconique, sur laquelle la roue est destinée à être frettée, dans la partie supérieure de la roue, assez éloignée de son écrou de blocage, afin d'obtenir une surface de portance de frettage et une clavette suffisantes. Ainsi, la roue est frettée dans une zone de déséquilibre thermique encore plus grand. Quelle que soit la forme de la roue, lors des transitoires thermiques, correspondant à des modifications du fonctionnement de la pompe, un défrettage de la portée tronconique se produit, comme dans les groupes moto-pompes classiques. Cependant, les conséquences de ce defrettage sont différentes pour les nouveaux groupes moto-pompes. En effet, dans ceux-ci, la tendance de la roue à rotuler dans son logement, due au défrettage, augmente la souplesse de la liaison rouearbre et entraîne un comportement vibratoire qui n'est pas tolérable. On peut de plus noter que ce phénomène, associé aux fluctuations de couple lors des transitoires de démarrage et arrêt, entraîne une dégradation progressive des surfaces de contact de la portée tronconique et de la clavette. il y a donc un effet de divergence de l'amplitude des niveaux vibratoires. On constate donc que le montage roue-arbre des groupes motopompes classiques n'est pas adapté à ce nouveau type de pompe. Cette inadéquation est due à l2emploi d'une conception de liaison se basant sur des phénomènes thermiques (frettage à chaud) dans une zone affectée thermiquement, pour le centrage de la roue et le passage du couple. L'invention a pour objet de proposer un montage roue-arbre pour une pompe dans laquelle la roue est guidée par un palier hydrostatique situé sur sa ceinture, assurant un niveau vibratoire général du groupe moto-pompe acceptable. L'invention concerne donc une liaison roue-arbre, notamment d'une pompe de refroidissement d'un réacteur nucléaire, ladite pompe comprenant - un conduit d'entrée et un conduit de sortie pour le fluide pompé, - un arbre en rotation, - une roue montée sur ledit arbre, - une barrière thermique disposée au-dessus de la roue. Selon l'invention, un palier hydrostatique étant monté sur la ceinture extérieure de la roue, ladite liaison roue-arbre est réalisée par un dispositif de fixation et un dispositif de centrage et de transmission du couple. De préférence, le dispositif de fixation comprend une bride dont un flasque est lié à l'arbre et dont l'autre flasque est lié à la roue. De façon préférée, au moins un flasque est réalisé d'une seule pièce avec l'arbre ou la roue. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif de centrage et de transmission du couple est constitué par des broches placées radialement entre lesdits flasques. De préférence, lesdites broches sont fixées par des vis dans la roue. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le dispositif de centrage et de transmission du couple est constitué par une denture radiale. Selon une forme préférée de réalisation de l'invention, le dispositif de fixation comprend de plus des moyens de fixation des flasques de la bride. De préférence, lesdits moyens de fixation sont constitués par des goujons, montés sensiblement parallèles à l'axe de l'arbre et à la périphérie de la bride. De préférence, chaque goujon est serré par un écrou placé dans un évidement pratiqué dans le flasque lié à l'arbre. On peut prévoir également une coupelle entre l'écrou et le fond de l'évidement. Selon une autre forme préférée de réalisation de l'invention, lesdits moyens de fixation comprennent de plus un goujon centré sur l'axe de l'arbre et bloqué axialement par un écrou. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description de modes non limitatifs de réalisation, auxquels des dessins sont annexés sur lesquels - la figure 3 représente une vue en coupe, selon l'axe de l'arbre de la pompe, d'un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 représente une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3, - la figure 5 représente une vue en coupe selon l'axe de l'arbre de la pompe, d'une première variante d'un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 représente une vue en coupe selon VI-VI de la figure 5, - la figure 7 représente une vue en coupe selon l'axe de l'arbre de la pompe, d'une deuxième variante du second mode de réalisation de l'invention et - la figure 8 représente une vue en coupe selon VIII-VIII de la figure 7. Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références. En référence aux figures 3 et 4, la pompe comporte un conduitd'entrée 25 pour le fluide de refroidissement et un conduit de sortie 26. Lorsque la pompe fonctionne, le fluide de refroidissement est aspiré dans le conduit d'entrée 25, circule à l'intérieur de la pompe et est évacué par le conduit de sortie 26. Le conduit de sortie 26 n'est pas représenté sur les figures 5 et 7 mais est réalisé de façon similaire à la disposition illustrée à la figure 3. Un palier hydrostatique 22 est placé sur la ceinture extérieure de la roue. Une bague de portance 24 est disposée entre l'arbre 1 et la barrière thermique 23. On peut constater que la liaison roue-arbre représentée à la figure 3 diffère notablement de celle décrite précédemment en référence à la figure 2. La liaison roue-arbre comporte tout d'abord un dispositif de fixation qui est constitué par une bride 27. Cette bride est constituée de deux flasques, le premier 28 est lié à l'arbre 1 tandis que le second 29 est lié à la roue 30. De préférence, ces flasques sont partie intégrante des pièces à assembler. Le flasque 29 est directement moulé sur le flasque intérieur de la roue 30 lors de sa coulée. Sur l'arbre, on réalise le flasque 28 lors de l'opération de forgeage. On constate dans l'état de l'art que lorsqu'une liaison est réalisée par l'intermédiaire d'une bride, le centrage est obtenu en général par un épaulement et la transmission du couple par frottement. Dans ce type de pompes, l'intensité du couple atteint des valeurs qui rendent impossible une transmission du couple par frottement. De plus, un centrage par épaulement n'est pas suffisant en cas de chocs thermiques où une pièce se dilate par rapport à l'autre. C'est pourquoi la liaison roue-arbre comprend de plus un dispositif de centrage et de transmission du couple. Selon le premier mode de réalisation représenté aux figures 3 et 4, ce dispositif est constitué par des broches 31 cylindriques qui sont placées radialement entre les deux flasques 28, 29 de la bride 27. Elles sont fixées par des vis 32 dans la roue, à titre de sécurité, contre les effets de la force centrifuge qui tend à les éjecter vers l'extérieur. Ces broches radiales 31, sous l'effet de la transmission du couple, introduisent un effort vertical qui tend à séparer les deux flasques de la bride 27 de liaison. Il apparait donc préférable de prévoir des moyens de fixation des flasques 28, 29 de la bride. Ces moyens de fixation sont constitués par des goujons 33, montés à la périphérie de la bride 27, sensiblement parallèles à l'axe de l'arbre 1. Ils sont de préférence réalisés en un matériau choisi afin d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées tout en ayant un coefficient de dilatation proche de ceux des aciers inoxydables dans lesquels sont réalisés l'arbre et la roue. Ceci évite d'augmenter les contraintes résultant du fonctionnement è haute température. Ces goujons 33 sont dimensionnés pour reprendre les efforts axiaux résultant de la poussée hydraulique, qui peut atteindre plusieurs dizaines de tonnes, et de a transmission du couple ainsi que les efforts radiaux dus aux balourds mécaniques et hydrauliques et à la réaction du palier hydrostatique 22, placé sur la ceinture extérieure de la roue. Leur nombre est choisi afin de diminuer les contraintes de serrage tout en gardant une rigidité suffisante de la liaison pour éviter le bâillement des brides sous l'effet de la montée en température. Leur forme et dimension sont conçues pour minimiser les effets de flexion résultant des dilatations différentielles entre roue et arbre. Les goujons 33 sont serrés par des écrous 34 placés dans des évidements 38 ménagés dans le flasque 28 côté arbre. Chaque goujon est de plus freiné et rendu imperdable par une coupelle 35, disposée entre l'écrou 34 et le fond de l'évidement 38 correspondant. On constate qu'ainsi la liaison roue-arbre assure le centrage et la transmission du couple dans tous les cas de transitoires thermiques. Les pièces peuvent se dilater radialement l'une par rapport à l'autre. Par ailleurs, la roue 30 n'est attachée à l'arbre que sur un seul côté et peut se dilater axialement en toute liberté. En référence maintenant aux figures 5 à 8 qui représentent un deuxième mode de réalisation de l'invention, on constate que le dispositif de centrage et de transmission du couple n'est plus constitué par des broches mais par un système à denture radiale 36. Ce système bien connu est principalement utilisé en construction automobile et aéronautique. Il présente l'avantage d'être facile à construire tout en garantissant un assemblage très résistant et très précis. Il consiste en un crantage à dents frontales réalisé sur chacune des surfaces des flasques de la bride 27, placées en vis-à-vis. Sur la denture représentée sur les figures 5 à 8, toutes les lignes géométriques de la denture sont réalisées de façon à les conduire en un point au centre. Le crantage est réalisé de façon à ce que les flasques 28 et 29 puissent être ajustés l'un dans l'autre. Ce système à denture radiale 36 permet, dans cette application particulière, de diminuer les pressions spécifiques sur les surfaces de portance des flasques 28, 29 de la bride. De plus, les dents étant inclinées selon un angle constant, l'effort vertical transmis par le couple est constant et plus facilement prévisible que pour les broches cylindriques radiales. Comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, il apparait préférable de prévoir des moyens de fixation des flasques 28, 29 de la bride 27, par exemple constitués par des goujons 33. Dans la deuxième variante du second mode de réalisation, représenté aux figures 7 et 8, on prévoit un goujon 37, centré sur l'axe de l'arbre 1. Il pénètre, à une extrémité, dans le flasque 28 de la bride 27. A l'autre extrémité, il est bloqué par un écrou 39, vissé sur l'extrémité de l'arbre 1. Une vis 41 est vissée dans le nez de roue 40 et l'arbre 1. Cette variante est de réalisation plus complexe que celle illustrée aux figures 5 et 6. Elle présente l'avantage de réduire la précharge des goujons périphériques 33. Comme dans le premier mode de réalisation décrit en référence aux figures 3 à 4, la liaison roue-arbre réalisée selon le second mode assure le centrage et la transmission du couple dans tous les cas. Les pièces peuvent se dilater radialement l'une par rapport à l'autre et la roue 30 peut librement se dilater axialement. On constate que la liaison roue-arbre selon l'invention implique, par rapport aux groupes moto-pompes classiques une modification complète de la géométrie de l'arbre et de la roue de la pompe. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques énoncées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières et ne peuvent avoir en aucun cas pour effet de limiter l'invention aux modes particuliers de réalisation qui viennent d'être décrits. REVENDICATIONS 1. Liaison roue-arbre, notamment d'une pompe de refroidissement d'un réacteur nucléaire, ladite pompe comprenant - un conduit d'entrée et un conduit de sortie pour le fluide pompé, - un arbre en rotation, - une roue montée sur ledit arbre et - une barrière thermique disposée au-dessus de la roue, caractérisée en ce qu'un palier hydrostatique (22) étant monté sur la ceinture extérieure de la roue, ladite liaison roue-arbre est réalisée par un dispositif de fixation et un dispositif de centrage et de transmission du couple. 2. Liaison roue-arbre selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif de fixation comprend une bride (27) dont un flasque (28) est lié à l'arbre (1) et dont l'autre flasque (29) est lié à la roue (30). 3. Liaison roue-arbre selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins un flasque (28, 29) est réalisé d'une seule pièce avec l'arbre (1) ou la roue (30). 4. Liaison roue-arbre selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que ledit dispositif de centrage et de transmission du couple est constitué par des broches (31) placées radialement entre lesdits flasques (28, 29). 5. Liaison roue-arbre selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites broches (31) sont fixées par des vis (32) dans la roue (30). 6. Liaison roue-arbre selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que ledit dispositif de centrage et de transmission du couple est constitué par une denture radiale (36). 7. Liaison roue-rbre selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que ledit dispositif de fixation comprend de plus des moyens de fixation des flasques (28, 29) de la bride (27). 8. Liaison roue-arbre selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits moyens de fixation sont constitués par des goujons (33), montés sensiblement parallèles à l'axe de l'arbre (1) et à la périphérie de la bride (27). 9. Liaison roue-arbre selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque goujon(33) est serré par un écrou (34) placé dans un évidement (38) pratiqué dans le flasque (28) lié à l'arbre 1. 10. Liaison roue-arbre selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'une coupelle (35) est placée entre ledit écrou (34) et le fond de l'évidement (38). 11. Liaison roue-arbre selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que lesdits moyens de fixation comprennent de plus un goujon (37) centré sur l'axe de l'arbre (1) et bloqué axialement par un écrou (39).