Brevet FR2660976A1 — publié le 19911018

i "Assemblage rigide en torsion sollicité thermiquement, de deux arbres, notamment en matériaux céramiques". L'invention concerne un assemblage rigide en torsion, sollicité thermiquement et mécaniquement, de deux arbres alignés co-axialement. On connaît de nombreux domaines d'applica- tion dans lesquels deux arbres alignés co-axialement l'un par rapport à l'autre, doivent être reliés ensem- ble, tandis que la zone d'assemblage est soumise à une température élevée Un exemple à ce sujet est une tur- bine à gaz, pour laquelle un arbre est fabriqué en ma- tériaux céramiques, par exemple un arbre de turbine, tandis qu'un second arbre, par exemple un arbre de compresseur assemblé avec ce premier arbre, est relié au compresseur relativement plus froid. On peut toutefois envisager aussi des cas d'application o deux arbres en céramique ou bien deux arbres métalliques doivent être reliés ensemble de fa- çon amovible. On peut également envisager des cas dans lesquels une division du carter doit être évitée Dans ce cas, il peut être prévu un carter d'un seul tenant dans lequel sont enfilées deux parties d'arbre qui sont reliées ensemble pour constituer un arbre. Le but de l'invention est de créer un assem- blage de ce type qui puisse transmettre un couple éle- vé, qui permette un centrage des deux arbres à assem- bler, et qui puisse, en même temps, être exposé à une température élevé En outre, des forces de choc per- pendiculaires à la direction axiale doivent pouvoir être transmises, et des arbres constitués de matériaux différentes, tels que par exemple des arbres consti- tués de céramiques différentes, doivent pouvoir être assemblés entre eux. A cet effet, l'assemblage, selon l'inven- tion, est caractérisé en ce que les arbres comportent en bout des réductions de diamètres placées l'une en face de l'autre, sur lesquelles sont fixés, par l'in- termédiaire de couches élastiques interposées, deux manchons d'accouplement métalliques en prise l'un avec l'autre, tandis qu'une douille de centrage en cérami- que entourant ces manchons d'accouplement est emman- chée sur les deux arbres. Cette réalisation, selon l'invention, pré- sente l'avantage qu'un centrage simple des deux arbres à assembler, peut être garanti même pour une tempéra- ture élevée Simultanément, on obtient une transmis- sion de couple qui convient également pour des solli- citations aux chocs Un avantage essentiel de l'inven- tion réside en outre, en ce qu'on peut fabriquer un rotor comportant deux arbres, auquel cas, les deux ar- bres peuvent être assemblés pour constituer un rotor unique grâce à des moyens de fabrication relativement simples De ce fait, les divisions coûteuses du carter sont supprimées Une telle disposition est notamment avantageuse pour des rotors de turbo-compresseurs ou de turbines à gaz, pour lesquels, d'une part, un rotor de compresseur et d'autre part, un rotor de turbine doivent être assemblés entre eux Il est en outre avantageux que dans le cas d'un endommagement sur un des deux arbres, l'assemblage, selon l'invention, puisse être à nouveau dissocié. Les deux arbres sont, de préférence, consti- tués par des matériaux céramiques, l'un des arbres étant reliés à un rotor de compresseur, tandis que l'autre arbre est relié à un rotor de turbine, ou bien ces arbres constituent eux-mêmes les rotors Il est également possible en variante, qu'un arbre soit ré- alisé sous la forme d'arbre récepteur pour transmettre par exemple la puissance utile d'une turbine basse pression à un utilisateur de puissance. La transmission du couple par l'accouplement métallique constitué de deux manchons d'accouplement en prise l'un avec l'autre, et qui sont reliés aux ar- bres par une couche élastique interposée, donne une certaine souplesse pour surmonter des différences de dilatation entre les arbres et les pièces d'accouple- ment, lorsque les différentes parties constitutives sont sollicitées thermiquement. La couche élastique interposée est de préfé- rence constituée d'un tissu métallique, notamment d'un tissu de fils métalliques à haute teneur en nickel ré- sistant à la chaleur Ces fils métalliques ont alors un diamètre d'environ 0,3 mm et sont disposés dans toutes les directions en un coussin L'épaisseur de la couche constituée par ce tissu métallique est d'envi- ron 3 mm De l'Inconel x-750 convient par exemple en tant que matériau. Le tissu métallique est brasé sur le manchon d'accouplement et l'arbre, une brasure à haute tempé- rature étant alors utilisée. De préférence, la douille de centrage est constituée d'un matériau, dont le coefficient de dila- tation thermique est inférieur à ceux des matériaux des arbres, pour provoquer sous une température éle- vée, un assemblage par frottement entre les deux par- ties constitutives et pour garantir un centrage sûr des deux arbres Un tel matériau est également de pré- férence, une céramique Grâce à l'assemblage par frot- tement, une partie du couple est déjà transmise par l'intermédiaire de la douille de centrage, grâce à quoi la sollicitation des manchons d'accouplement se trouve réduite De préférence, le coefficient de dila- tation thermique de la douille de centrage est de l'ordre des 3 à 8 dixièmes des matériaux des arbres. Comme matériau pour la douille de centrage, le nitrure de silicium pressé à chaud, par exemple HPSN NC 132 convient particulièrement Un jeu d'ajustage peu serré d'environ 2 à 4 xl O-6 m est utilisé. Comme matériau pour les arbres, on peut en- visager du nitrure de silicium (HPSN) pressé à chaud, par exemple du CERANOX 206 En variante, on peut éga- lement utiliser du carbure de silicium ( -Si C) qui est moins cher mais, par contre, plus sensible aux chocs thermiques. L'invention est toutefois tout aussi bien applicable à des matériaux céramiques ou métalliques quelconques pour les arbres, il faut simplement pou- voir fixer la couche élastique interposée. Ces couches élastiques interposées entre les arbres, d'une part, et les manchons d'accouplement d'autre part, sont constitués, de préférence, par un tissu métallique ou bien un feutre métallique. Une autre réalisation, conforme à l'inven- tion, prévoit qu'au moins deux orifices essentielle- ment radiaux sont ménagés dans un manchon d'accouple- ment, ou également dans les deux, de sorte que l'in- tervalle subsistant entre les deux arbres soit en com- munication avec l'espace extérieur et qu'ainsi une circulation d'air de refroidissement puisse être pré- vue Cette disposition permet de réduire les gradients de température se produisant dans l'arbre de la turbi- ne, au cas o une température très élevée se manifeste sur cet arbre de la turbine. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention l'un des arbres ou les deux, sont constitués de matériaux céramiques. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, un arbre est un bout d'arbre d'un rotor de turbine en céramique, formé sur lui. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, l'autre arbre est un bout d'arbre d'un rotor de compresseur en céramique formé sur lui. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, l'autre arbre est un arbre récepteur. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les manchons d'accouplement sont reliés entre eux par interpénétration de formes de façon à pouvoir s'étendre axialement. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la douille de centrage est constituée par un matériau qui a un coefficient de dilatation thermique plus réduit que celui des matériaux des arbres. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le coefficient de dilatation thermique de la douille de centrage est de l'ordre de 3 à 8 dixièmes du coefficient de dilatation thermique des arbres. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la douille de centrage est montée, côté car- ter, par l'intermédiaire de deux paliers, de préfé- rence des paliers à air, prenant appui sur ces zones terminales. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les coquilles de coussinets des paliers sont réalisées en céramique et prennent appui, côté carter, par l'intermédiaire de feutres métalliques ou de tis- sus de fils métalliques. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les couches élastiques interposées entre les arbres et les manchons d'accouplement sont constituées par du tissu métallique ou du feutre métallique. Suivant une autre caractéristique de l'in- ventio, au moins deux perçages essentiellement radiaux sont prévus dans la douille de centrage pour la circu- lation de l'air de refroidissement. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, il est prévu quatre perçages. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la douille de centrage sert à bloquer axia- lement les arbres. L'invention va être exposée plus en détail ci-après, à l'aide des dessins ci-joints: la figure 1 est une coupe axiale de deux arbres assemblés entre eux, la figure 2 est une coupe axiale de deux autres arbres assemblés, la figure 3 est une section transversale de la partie terminale d'un arbre. Sur la figure 1 sont représentés deux arbres 1 et 2 alignés co-axialement, qui sont tous deux fa- briqués en des matériaux céramiques L'arbre 1 est as- socié à un compresseur radial 3, tandis que l'arbre 2 est relié à une turbine axiale 4 Sur les deux arbres 1 et 2 est emmanchée à ajustage serré, une douille de centrage 5 qui, d'une part, assure le centrage des deux arbres 1 et 2, tandis que d'autre part, par l'in- termédiaire de l'ajustage serré, elle transmet une partie du couple de l'arbre 1 à l'arbre 2 Cette douille de centrage 5 assure, également, le blocage axial des deux arbres 1 et 2 du fait de son ajustage serré. Sur la douille de centrage 5 sont disposés deux paliers 6 a et 6 b grâce auxquels l'ensemble du ro- tor constitué par les arbres 1 et 2 prend appui sur le carter 7 Les paliers 6 a et 6 b sont, de préférence, réalisés sous la forme de paliers lisses lubrifiés à l'air et qui sont enfilés avant le montage du rotor sur la douille de centrage 5. Sur l'arbre 1 est rapporté, par l'intermé- diaire d'une couche élastique interposée 9 a, un man- chon d'accouplement 8 a, la couche élastique interposée 9 a étant réalisée sous la forme d'un tissu métallique qui est brasée avec l'arbre 1 en céramique et le man- chon d'accouplement 8 a métallique Le manchon d'accou- plement 8 a a un diamètre externe un peu plus réduit que l'arbre 1 La couche élastique interposée 8 a est, à cet effet, rapportée sur une réduction de diamètre 16 a de l'arbre 1 Sur l'arbre 2 ou bien sur la réduc- tion de diamètre 16 b de cet arbre, est rapporté, par l'intermédiaire de la couche élastique interposée 9 b, un manchon d'accouplement 8 b qui est en prise avec l'autre manchon d'accouplement 8 a par l'intermédiaire d'une denture 10 La denture 10 peut alors être réali- sée sous la forme d'une denture de clavetage, de sorte qu'une bonne transmission du couple de l'un des arbres 2 à l'autre arbre 1 est possible Par l'intermédiaire de cette denture 10, les deux manchons d'accouplement 8 a et 8 b sont reliés de façon amovible par enfichage axial. Les couches élastiques interposées 9 a et 9 b ont alors une épaisseur d'environ 3 mm, le tissu mé- tallique utilisé étant constitué par un tissu de fils métalliques résistant à la chaleur avec une teneur élevée en nickel disposé selon des couches d'orienta- tion quelconque. Dans la douille de centrage 5 sont ménagés plusieurs perçages 11 orientés radialement ou oblique- ment qui sont répartis sur la périphérie Ces perçages 11 servent à amener de l'air de refroidissement radia- lement de l'extérieur, ce qui est indiqué par la flè- che 12 L'air circule après son passage à travers les perçages 11, soit par d'autres passages dans les man- chons d'accouplement 8 a et 8 b, ou bien il circule axialement à travers l'intervalle entre les dents de la denture 10. A la figure 2 est représentée une forme de réalisation de l'invention qui assemble un arbre en céramique 13 avec un arbre métallique 14 L'arbre en céramique 13 est alors associé à une turbine basse pression 15, tandis que l'arbre métallique 14 sert d'arbre récepteur Cette forme de réalisation corres- pond, pour l'essentiel à celle représentée à la figure 1, sauf qu'entre les arbres 13 et 14, du fait du gra- dient de température relativement bas au voisinage de la turbine basse pression 15, aucun intervalle axial n'a besoin d'être prévu et qu'ainsi, en outre, la douille de centrage 5 a ne doit également pas comporter de perçages radiaux pour amener de l'air de refroidis- sement. La figure 3 est une coupe transversale à travers la zone entre les deux arbres 1 et 2, seul l'arbre 2 étant visible Sur cet arbre 2 est rapporté, par l'intermédiaire de la couche élastique interposée 9 b, le manchon d'accouplement 8 b Avec celui-ci est en prise, par l'intermédiaire de la denture 10, le man- chon d'accouplement 8 a fixé sur l'autre arbre, non re- présenté La douille de centrage 5 est disposée radia- lement à l'extérieur de ce manchon d'accouplement ex- terne 8 a Dans cette douille, sont ménagés quatre per- çages 11 répartis sur la périphérie, orientés oblique- ment, et dont les angles d'inclinaison se situent à environ entre 10 et 300 Dans le carter 7 sont ménagés deux canaux 17 a et 17 b diamétralement opposés (voir figure 2) qui servent à l'amenée ou à l'évacuation de l'air de refroidissement L'air circule alors du canal 17 a dans l'espace 18 a, et de là, par l'intermédiaire des perçages 11 et des intervalles dans la denture 10, dans l'intervalle 19 entre les arbres 1 et 2 (figures 1 et 2) L'air s'évacue ensuite par l'intermédiaire des perçages 11 dans l'espace 18 b et de là, dans le canal 17 b Les surfaces frontales des arbres 1 et 2 sont ainsi refroidies. Les espaces 18 a et 18 b s'étendent en direc- tion axiale d'un palier 6 a vers l'autre palier 6 b Une partie de l'air amené par l'intermédiaire du canal 18 a peut, avantageusement, être dérivée pour alimenter les paliers à air 6 a et 6 b. REVENDICATIONS 1. Assemblage rigide en torsion, sollicité thermiquement et mécaniquement, de deux arbres ( 1, 2, 13, 14) alignés co-axialement, assemblage caractérisé en ce que les arbres ( 1, 2, 13, 14) comportent en bout des réductions de diamètres ( 16 a, 16 b) placées l'une en face de l'autre, sur lesquelles sont fixés, par l'intermédiaire de couches élastiques interposées ( 9 a, 9 b), deux manchons d'accouplement métalliques ( 8 a, 8 b) en prise l'un avec l'autre, tandis qu'une douille de centrage ( 5) en céramique entourant ces manchons d'ac- couplement ( 8 a, 8 b) est emmanchée sur les deux arbres ( 1, 2). 2. Assemblage selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que l'un des arbres ( 1, 2, 13) ou les deux, sont constitués de matériaux céramiques. 3. Assemblage selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'un arbre ( 2) est un bout d'arbre d'un rotor de turbine ( 4) en céramique, formé sur lui. 4 Assemblage selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que l'autre arbre ( 1) est un bout d'arbre d'un rotor de compresseur ( 3) en céramique formé sur lui. 5. Assemblage selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que l'autre arbre ( 14) est un arbre récepteur. 6. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les man- chons d'accouplement ( 8 a, 8 b) sont reliés entre eux par interpénétration de formes de façon à pouvoir sl'é- tendre axialement. 7. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la douille de centrage ( 5) est constituée par un matériau qui a un coefficient de dilatation thermique plus réduit que il celui des matériaux des arbres ( 1, 2, 13, 14). 8. Assemblage selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que le coefficient de dilatation ther- mique de la douille de centrage ( 5) est de l'ordre de 3 à 8 dixièmes du coefficient de dilatation thermique des arbres ( 1, 2, 13, 14). 9. Assemblage selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la douille de centrage ( 5) est montée, côté carter, par l'intermédiaire de deux pa- liers ( 6 a, 6 b), de préférence des paliers à air, pre- nant appui sur ces zones terminales. 10. Assemblage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les coquilles de coussinets des paliers ( 6 a, 6 b) sont réalisées en céramique et pren- nent appui, côté carter, par l'intermédiaire de feu- tres métalliques ou de tissus de fils métalliques. 11. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches élastiques interpo- sées ( 9 a, 9 b) entre les arbres ( 1, 2, 13, 14) et les manchons d'accouplement ( 8 a, 8 b) sont constituées par du tissu métallique ou du feutre métallique. 12. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins deux perçages essentiel- lement radiaux ( 11) sont prévus dans la douille de centrage ( 5) pour la circulation de l'air de refroi- dissement. 13. Assemblage selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est prévu quatre perçages ( 11). 14 Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la douil- le de centrage ( 5) sert à bloquer axialement les ar- bres ( 1, 2).