Brevet FR2685044A1 — publié le 19930618

La présente invention concerne un dispositif ou un ensemble de dispositifs montés sur un rotor de machine en vue d'obtenir un équilibrage automatique de ce rotor. Toutes les machines tournantes rencontrent des difficultés du fait de l'existence de défauts d'équilibrage de la partie tournante appelée rotor. Les forces induites, dénommées classiquement forces de balourd, entrainent des vibrations de la partie fixe de la machine (stator). Ces vibrations sont gênantes car elles entrainent une fatigue des pièces mécaniques, peuvent dégrader l'environnement de la machine (nuisances sonores et vibratoires), et dans certains cas empêchent d'utiliser la machine à son potentiel maximum (vibrations trop importantes au voisinage des vitesses critiques). Traditionnellememnt, l'équilibrage des rotors est réalisé en ajoutant dans certains plans des masses additionnelles afin de réduire les vibrations dans certaines plages de fonctionnement. D'une part cet équilibrage n'est jamais parfait et d'autre part il est parfois nécessaire de reprendre l'équilibrage de temps en temps, opération qui oblige à stopper l'installation. Des systèmes à deux billes pouvant se déplacer sur une trajectoire circulaire permettent théoriquement de reprendre l'équilibrage. Ce système ne peut toutefois fonctionner que lorsque le rotor tourne au-delà de sa première vitesse critique, et un problème de précision de réalisation subsiste : pour être efficace, la trajectoire circulaire des billes doit être centrée sur l'axe géométrique du rotor avec une tolérance au moins égale à celle de l'excentrement du centre de gravité du rotor par rapport à l'axe géométrique, distance généralement de l'ordre du micron. Ce type de dispositif n'a donc été que très peu utilisé. Les paliers magnétiques permettent de filtrer les forces dûes au balourd par des moyens électroniques. Ces systèmes restent encore relativement onéreux et il faut prévoir des systèmes particuliers pour maintenir le rotor en position en cas de panne. La présente invention permet, par des moyens passifs c'est-à-dire sans aucun asservissement, de supprimer totalement et en permanence les forces de balourd transmises au stator. Qui plus est, les conditions de montage différentes font que les fréquences propres sont généralement augmentées, ce qui élimine dans certains cas le problème du franchissement des vitesses critiques. Enfin, lorsque le rotor repose sur des roulements à billes ou à rouleaux, les conditions de montage très différentes devraient amener un allongement de la durée de vie des roulements, plus aucun effort inutile n'étant alors transmis par les paliers ou la butée. L'invention repose sur le principe qu'un rotor est naturellement équilibré si on le laisse tourner autour de son axe principal d'inertie. L'invention consiste donc à installer sur le rotor, au droit des paliers et eventuellement de la butée, des pièces intermédiaires souples déformables ou articulées, liées en rotation avec le rotor, assurant le contact avec les paliers et éventuellement la butée, de manière que l'axe d'inertie du rotor puisse venir se centrer automatiquement à la bonne position au niveau des paliers et que, eventuellement, les défauts de perpendicularité du collet de butée soient éliminés. Le principe de l'invention sera mieux compris à l'aide de la figure 1 qui représente le cas simple d'un rotor rigide tournant autour d'un axe vertical et maintenu en position par deux paliers radiaux et une butée axiale. Les figures 2 et 3 permettent d'expliquer pourquoi le rotor viendra automatiquement, quelle que soit la situation initiale et l'état de balourd, tourner autour de son axe d'inertie.La figure 4 montre le principe d'une réalisation suivant l'invention au droit d'un palier, les figures 5 et 6 donnant les précisions nécessaires sur, respectivement, l'entrainement en rotation du manchon et le système d'étanchéité. La figure 7 montre une coupe d'une variante interessante. La figure 8 correspond au même principe que celui de la figure 4 mais cette fois-ci appliqué au collet de butée. La figure 9 donne une réalisation du système d'entrainement du disque. Les figures 10 et 11 correspondent à un autre principe de réalisation. Les descriptions qui vont suivre ne sont destinées qu a bien faire comprendre l'invention à l'aide d'illustrations. Elles ne limitent pas la portée de l'invention aux seuls cas présentés. La figure 1 va permettre d'expliquer le principe de l'invention en l'absence de forces de gravitation. Le rotor 3 présente un axe géométrique 2 défini comme le support rectiligne passant par les centres 15 et 16 des soies 14 et 19 du rotor au niveau de chacun des deux paliers 11 et 12. L'axe principal d'inertie 1 du rotor diffère légèrement de l'axe géométrique 2. Les écarts, pour faciliter la lecture des figures, sont très fortement amplifiés par rapport à la réalité. Le manchon 5 est une pièce annulaire entournant le rotor au droit du palier supérieur 11, ce manchon est entrainé par le rotor dans son mouvement de rotation mais peut se déplacer radialement grâce à une liaison souple 8. Au stade actuel de la description, il suffit de dire que, par exemple, la liaison 8 est constituée d'un ensemble flexible à raideur nulle mais à très fort amortissement. Le palier 11 assure la liaison entre le manchon 5 animé d'un mouvement de rotation et le stator de la machine, non représenté sur ce schéma. Le palier 11 est un palier classique de n'importe quel type (roulement, palier hydrostatique, palier hydrodynamique,...) Le montage est identique pour le palier inférieur 12. Le manchon 6 peut se caler radialement par rapport au rotor grâce à la liaison amortie 9. Pour la butée axiale, on n'a représenté que la partie empêchant le rotor de descendre. Un disque 7 est relié au collet 4 par un système amorti 10. Le disque 7, entrainé en rotation par le rotor, peut ainsi se caler dans un plan différent de celui du collet. Le disque 7 est lié à la partie statorique de la machine (non représentée ici) par l'intermédiaire d'une butée 13 de type classique. Nous allons maintenant examiner comment cet ensemble se comporte sous l'effet de la rotation du rotor. Nous supposerons négligeables les frottements dans les paliers 11 et 12 ainsi que dans la butée 13. On note I le moment d'inertie suivant l'axe 1 et I' le moment d'inertie suivant un axe quelconque passant par le centre de gravité et perpendiculaire à l'axe 1, le rotor étant supposé de révolution. Bien que ceci ne soit pas nécessaire pour établir la démonstration qui va suivre, nous négligerons les masses des pièces 5,6,7,8,9 et 10, rapportées sur le rotor, pour faciliter ltexposé. Nous allons considérer- les vecteurs suivants: A, vecteur unitaire orienté suivant l'axe d'inertie 1 du rotor, C moment cinétique du rotor et t vecteur instantané de rotation du rotor considéré ici comme un solide indéformable. Dans un premier temps, nous allons ne pas tenir compte des forces d'amortissement induites par les liaisons 8, 9 et 10. Le mouvement général du rotor est alors bien connu il correspond à celui de la toupie symétrique soumis à aucune force extérieure. ~ > 9 > Les vecteurs A, W et C sont coplanaires avec des positions relatives comme indiqué sur la figure 2 dans le cas où I > I' ou sur la figure 3 (1 Les points 17 et 18 caractérisant la position de l'axe d'inertie 1 au droit des paliers sont donc animés de mouvements circulaires. Nous allons maintenant déterminer les forces induites par l'amortissement dans les liaisons 8, 9, 10 lorsque le mouvement du rotor reste le même que précedemment. La rotation instantanée W peut être décomposée en - > sur + Wb par projection sur les axes perpendiculaires A et B. Le montage réalisé permet à la rotation instantanée wu de n'induire aucune force d'amortissement. En revanche l'amortissement a tendance à s'opposer à la rotation instantanée Les liaisons genèrent donc un couple de la forme -k Wb, k étant une constante positive. C n'est donc plus constant dans le temps puisque dc = -k Wb. Cette relation montre que, quel que soit le cas considéré (I > I' ou I On constate donc que les conditions de liaisons choisies permettent au rotor de rejoindre au bout d'un certain temps l'état où les vecteurs A, C et W sont colinéaires. Autrement dit, quelque que soient les conditions initiales, le rotor se mettra naturellement à tourner autour de son axe principal d'inertie. C'est dire que l'équilibrage se fait alors automatiquement. Dans la présentation ci-dessus, nous avons supposé le rotor comme un solide indéformable. Nous allons maintenant considérer un rotor souple. Puisque le montage n'induit aucune force à la vitesse de rotation, le comportement dynamique du rotor sous l'effet des forces de balourd correspond à celui qu'il aurait s'il n'y avait pas de paliers. Cela signifie que les fréquences critiques doivent être calculées en libre-libre ce qui, dans le cas des rotors sur deux paliers, a pour effet d'augmenter la fréquence critique. Par exemple, dans le cas d'un rotor homogène sur toute sa longueur le rapport entre les premières fréquences propres calculées en libre-libre et rotor appuyé aux deux extrémités atteint 2,27. En revanche, les rotors montés sur trois paliers ou plus verront leur fréquence critique généralement chuter. Ce point devra faire l'objet d'un examen attentif car le franchissement des vitesses critiques en libre-libre avec des dispositifs selon- l'invention deviendra plus délicat. I1 n'y a en effet plus d'amortissement dans ce cas. Après avoir exposé le principe de l'invention pour un rotor isolé et en l'absence de forces de gravité, nous allons décrire quelques types de réalisation. Pour cela nous allons examiner plus en détail les liaisons 8, 9 et 10 de la figure 1. On a vu que ces liaisons devaient avoir une raideur statique aussi faible que possible, et un peu d'amortissement pour que l'axe d'inertie vienne se caler sur l'axe de rotation. Dans la pratique il faut également que les paliers et la butée transmettent des efforts statiques relativement importants du fait de la gravité et des autres forces qui peuvent s'appliquer sur le rotor. Par la suite, pour alléger la terminologie, nous appelerons forces de gravité l'ensemble des forces constantes dans le repère du stator qui s'exercent entre rotor et stator. Ces forces de gravité doivent bien sûr être transmises par les liaisons 8, 9, 10 de la figure 1 en limitant si possible les déplacements relatifs des manchons 5, 6 et du disque 7 par rapport au rotor 3. Si ces liaisons 8, 9, 10 sont parfaitement isotropes, l'effet de ces forces se réduira à un déplacement du point d'équilibre du rotor. Encore faut-il que ce mouvement reste compatible avec les jeux de fonctionnement, généralement faibles, entre rotor et stator. Une seconde raison militant en faveur d'une réduction de ces déplacements résulte du fait que, dans la pratique, il sera difficile pour les liaisons 8, 9, 10 de la figure 1 d'être rigoureusement isotropes. Il y aura donc alors un mouvement vibratoire à la fréquence de rotation entre rotor et les manchons 5, 6 ou le disque 7 empêchant la coincidence entre l'axe de rotation et l'axe d'inertie du rotor. Plus les déplacements relatifs entre rotor et manchon 5, 6 ou disque 7 sous l'effet des forces de gravité seront importants plus les risques de mauvais équilibrage du fait de l'amisotropie des liaisons 8, 9, 10 seront élevés. De ce fait, deux grandes filières de solutions se dégagent de l'analyse ci-dessus : des liaisons fortement amorties ou des liaisons pratiquement isotropes. Comme nous le verrons, ces deux filières ne sont pas exclusives l'une de 1 'autre. Nous allons commencer par décrire une solution du type fortement amortie. L'idée consiste à intercaler entre le rotor et les manchons 5 et 6 ainsi que le disque 7 un fluide visqueux, de la graisse ou tout autre produit pâteux très peu compressible se déformant lentement sous l'effet de forces extérieures. Dans la description qui va suivre nous utiliserons le terme générique de fluide visqueux pour ce genre de produit. La figure 4 représente une coupe du rotor 3 au droit d'un palier. Le manchon 21 est une pièce cylindrique comprenant une face intérieure 23 en contact avec un fluide visqueux 25 et une face externe 22 en contact avec un roulement ou palier classique. Le manchon 21 est entrainé en rotation par un dispositif 28 dont la description sera donnée à l'occasion de l'examen de la figure 5. Le fluide visqueux 25 reste confiné dans une chambre annulaire de très faible épaisseur formée par la face intérieure 23 du manchon 21, la surface 24 du rotor 3 et deux systèmes d'étanchéité 26 et 27 dont la description sera donnée à l'occasion de l'examen de la figure 6. La coupe perpendiculaire à l'axe 20 du rotor dans le plan du dispositif d'entrainement en rotation 28 est donnée par la figure 5. Le rotor comprend deux rainures longitudinales 34 et 35. Le manchon 21 est muni à son extrémité de deux encoches 42 et 43. Le dispositif d'entrainement est constitué d'une pièce circulaire 36, logée entre le rotor 3 et le manchon 21, munie de quatre ergots, deux dirigés intérieurement 37 et 38 venant se loger dans les rainures 34 et 35 du rotor, les deux autres dirigés extérieurement 40 et 41 venant se loger dans les encoches 42 et 43 du manchon 21. Les ergotes, encoches et rainures sont conçues avec un jeu faible dans le sens de la rotation mais permettent librement le mouvement suivant l'axe 30 pour l'ensemble 34, 35, 37, 38 et suivant l'axe 31 pour l'ensemble 40, 41, 42, 43,. Ce montage autorise donc tous les déplacements radiaux du manchon mais rend ce dernier solidaire du rotor pour le mouvement de rotation. La figure 6 représente, comme la figure 4, une coupe transversale d'un dispositif selon l'invention, mais ici les systèmes d'étanchéité de la cavité remplie de fluide visqueux sont représentés. Les flasques 44 et 51 en matériau élastomère assurent la souplesse nécessaire pour les mouvements relatifs entre le manchon 21 et le rotor. Ces flasques sont adhérisés ou collés sur les manchon 21 et sur les pièces métalliques circulaires 45 et 50. La pièce 45 est fixée sur le rotor par l'intermédiaire de vis 47. Un joint torique 46 assure l'étanchéité entre la pièce 45 et le rotor. De même, la pièce 50 est fixée sur le rotor par un ensemble de vis 48. Le joint torique 49 assure l'étanchéité. Un orifice 52 dans la pièce 50 permet d'effectuer le remplissage. Cet orifice est normalement obstrué par un bouchon. Le montage de l'ensemble se fait dans l'ordre suivant - adhérisation ou collage des flasques 44 et 51 sur les extrémités métalliques et le manchon. - montage sur le rotor en faisant coulisser l'ensemble précédent de gauche à droite. Fixation des vis. - remplissage - montage du dispositif d'entrainement en rotation 28. Le dispositif tel que décrit ci-dessus par les figures 4, 5 et 6 présente bien toutes les caractéristiques nécessaires à l'invention pour les paliers. Le manchon 21 peut se déplacer facilement par rapport au rotor puisqu'il n'y a pratiquement aucune raideur statique entre manchon et rotor. L'effet de la gravité conduit à une transmission d'une force tournante à la fréquence de rotation dans un repère lié au rotor. Cette force est transmise par le fluide visqueux. Pour limiter le déplacement dynamique du manchon par rapport au rotor il faut que le fluide visqueux ne puisse pratiquement pas de déplacer dans un repère lié au rotor, d'où l'intérêt de limiter au maximum le jeu entre manchon et rotor. Pour limiter encore le déplacement du fluide, il est possible de placer, en variante comme indiqué sur la figure 7 entre le rotor 3 et le manchon 21, un certain nombre de barrières longitudinales constituées de cylindres élastomères 53. L'étanchéité n'a pas besoin d'être parfaite, notamment aux extrémités, le but étant simplement de placer des obstacles s'opposant au mouvement rapide du fluide visqueux. Ces barrières doivent introduire une raideur statique aussi faible que possible, elles doivent donc être souples et déformables facilement. Nous allons examiner le montage correspondant au niveau de la butée. La figure 8 représente une demi coupe de la butée, jusqu'à l'axe géométrique 2 du rotor. Le disque circulaire 7 comprend une face supérieure 53 située en regard de la face inférieure 54 du collet 4 du rotor créant ainsi une cavité 55 remplie de fluide visqueux. Cette cavité est fermée côté petit diamètre par un flasque élastomère 56 adhérisé ou collé d'un côté sur un décrochement 60 du disque 7, de l'autre, sur une pièce cylindrique 57 fixée à l'aide de vis 58 sur le collet du rotor 4, l'étanchéité à ce niveau étant assuré par un joint torique 59. Côté grand diamètre, le montage est réalisé de la même manière. La face inférieure 61 du disque 7 constitue le collet de la butée 13. Cette face 61 sera directement en contact avec le fluide de lubrification et en regard des patins oscillants dans le cas d'une butée 13 de type hydrodynamique à patins. L'entrainement en rotation du disque 7 est réalisé, comme indiqué sur la figure 9, par plusieurs ergots 63 de la pièce 57, solidaire du rotor par les vis 58, ergots qui viennent se placer dans des encoches 62 du décrochement 60 du disque 7 de la figure 8. Les pièces 60 et 57 ont été écartées sur le dessin pour mieux représenter les ergots et les encoches. La description du dispositif selon l'invention qui précède conduit à adopter des dispositions très semblables pour les paliers et la butée. Si on souhaite amortir d'avantage le mouvement relatif entre disque 7 et collet du rotor 4 il suffit, à l'image de ce qui a été décrit pour les paliers radiaux à la figure 7, de placer des barrières souples et déformables en élastomère dans la cavité 55. Ici il faut faire obstacle au mouvement circulaire rapide du fluide visqueux autour de l'axe 2. Ces barrières seront donc rectilignes, placées entre les plans 53 et 54 et orientées radialement par rapport à l'axe 2. Une autre variante possible, dans le cas d'un rotor monté sur paliers et butées hydrodynamiques, consiste à choisir comme fluide visqueux le liquide de lubrification et de percer un grand nombre de petits trous dans le manchon 21 de la figure 4 et le disque 7 de la figure 8 de manière à ce que la pression au niveau des films hydrodynamiques se transmette en permanence au niveau du rotor dans les chambres 25 de la figure 4 et 55 de la figure 8. Le champ de pression ainsi obtenu au niveau du rotor équilibre alors automatiquement les forces de gravité qui s'exercent sur le rotor. Les descriptions des figures 4 à 9 correspondent à la description, assortie de variantes, d'une réalisation selon 1 invention dans la filière liaisons fortement amorties11. Nous allons maintenant décrire une réalisation selon l'invention dans la filière 11liaisons isotropes". Il faut en effet remarquer que la réalisation correspondant aux figures 4 à 9 ne peut être considérée comme isotrope car l'épaisseur du film de fluide visqueux n'est pas constante à la périphérie lorsque le rotor tourne. Les écarts correspondent aux écarts de position entre l'axe géométrique et l'axe d'inertie du rotor au droit du support considéré. Les effets d'amortissement variant très sensiblement avec la hauteur du film de fluide, un tel système ne peut être considéré comme isotrope. En revanche l'adjonction d'obstacles comme indiqué par la figure 7 a tendance à rendre le système beaucoup plus isotrope puisqu'il n'y aura pratiquement plus de circulation de fluide dans des épaisseurs variables. Les deux concepts "liaisons fortement amorties" et "liaisons isotropes ne sont donc pas exclusifs l'un de l'autre, bien au contraire. Les figures 10 et 11 représentent une réalisation selon l'invention avec le concept "liaison isotropes". Il faut pour cela que les éléments élastiques 64 et 65 aient un comportement aussi linéaire que possible. Leur raideur sera choisie de manière à ce que ces élémemnts constituent la partie la plus souple des liaisons entre rotor et stator. Par exemple, dans le cas de paliers hydrodynamiques ils doivent être sensiblement moins raides que les films d'huile. Le déplacement statique du rotor sous l'effet des forces de gravité sera plus important que dans le cas d'un montage classique et il faudra en tenir compte au niveau des jeux de fonctionnement entre rotor et stator. il n'y a pas lieu ici de revenir en détail sur le montage lui-même puisque, par rapport aux descriptions précédentes, seules les liaisons entre manchon 5 et rotor 3 d'un côté, disque 7 et collet de rotor 4 de l'autre, sont modifiées. Ici le jeu entre ces pièces peut être beaucoup plus grand puisqu'on ne cherche plus à créer un amortissement à l'aide de fluide visqueux. On choisira les éléments élastiques 64 et 65 parmi les solutions suivantes : petits plots en élastomère, ressorts métalliques, amortisseurs, etc... Enfin, dans le cas d'un rotor à axe vertical, les paliers n'ayant alors pratiquement plus d'effort à transmettre, le dispositif déformable peut être simplifié en ne conservant que le système d'entrainement en rotation tel que décrit par les caractéristiques déjà fournies lors des explications données à propos de la figure 5. Le dispositif est alors relié d'un côté au rotor et de l'autre à la partie tournante de la pivoterie. Le manchon 21 de la figure 4 peut alors disparaitre complètement. Une autre solution consiste à conserver le dispositif tel que décrit antérieurement avec l'aide des figures 4 à 7 mais en laissant l'espace 25 vide et il n'y a bien sûr plus besoin des systèmes d'étanchéité. Le champ d'application de l'invention est très vaste puisque les machines tournantes sont très largement utilisées. Le domaine couvert s'étend des essoreuses à salade aux très gros compresseurs centrifuges ou turbines à vapeur. - REVENDICATIONS 1 - Machine comprenant un stator et un rotor monté sur des pivoteries caractérisée en ce que , au niveau de un ou plusieurs points de supportage du rotor, un ensemble de systèmes déformables est placé sur le rotor pour assurer la liaison entre le rotor et sa pivoterie, systèmes animés du même mouvement de rotation que celui du rotor. 2 - Machine suivant la revendication 1 caractérisée en ce que le système déformable comprend un espace libre (25 ou 55) entre la partie solidaire du rotor (24 ou 54) et la partie (21 ou 7) solidaire de la pivoterie. 3 - Machine suivant la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce qu'un dispositif d'entrainement en rotation relie la partie solidaire du rotor (24 ou 54) et la partie solidaire de la pivoterie (21 ou 7). 4 - Machine suivant la revendication 3 caractérisée en ce que le dispositif d'entrainement en rotation est constitué d'une pièce 36 coulissant par des rainures orientées dans deux directions radiales 30 et 31 sensiblement perpendiculaires, autorisant les déplacements, d'une part, par rapport à la partie solidaire du rotor, d'autre part, par rapport à la partie solidaire de la pivoterie. 5 - Machine suivant la revendication 2 ou 3 caractérisée en ce que l'espace libre (25 ou 55) est rempli d'un fluide visqueux, d'une graisse ou d'une pâte peu compressible mais déformable. 6 - Machine selon revendication 5 caractérisée en ce que des obstacles souples (53) s'opposent au mouvement de rotation par rapport au rotor du fluide visqueux. 7 - Machine selon la revendication 5 caractérisée en ce que des trous mettent en communication l'espace libre (25 ou 55) avec le lubrifiant au niveau des films porteurs dans le cas de paliers et butée hydrodynamiques. 8 - Machine selon la revendication 2, 3 ou 4 caractérisée en ce que la partie solidaire du rotor et la partie solidaire de la pivoterie sont reliées par des systèmes élastiques (plots élastomères, ressorts, etc..) logés dans l'espace libre 25 ou 55. 9 - Machine selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 caractérisée en ce que la partie solidaire du rotor et la partie solidaire de la pivoterie sont reliées par des amortisseurs.