Brevet FR2684141A1 — publié le 19930528

La présente invention concerne un dispositif d'entraînement en rotation d'une turbine de brassage des gaz à l'intérieur d'un four. Elle s'applique en particulier aux turbines de brassage équipant les fours utilisés dans la sidérurgie. Les pièces en acier, notamment les grosses pièces forgées ou les tôles fortes doivent subir des traitements thermiques par réchauffage à haute température dans des fours de grandes dimensions. Pour assurer l'homogénéité du réchauffage des pièces, il est connu de brasser les gaz chauds contenus dans les fours. Ce brassage est réalisé habituellement au moyen de turbines dont chacune est reliée à un dispositif d'entraînement en rotation comprenant un arbre rotatif, traversant la voûte du four, relié à la turbine et accouplé à un moteur d'entraînement. Cet arbre est monté rotatif dans des paliers à roulement situés au-dessus de cette voûte. Cette technique présente un inconvénient dû au fait que la temperature très élevée du four (supérieure à 700"C) détériore rapidement les turbines et les arbres d'entraînement. Ceux-ci doivent donc être démontés fréquemment pour être remplacés. Lorsqu'on remonte un nouvel arbre et une nouvelle turbine, il faut procéder à un équilibrage dynamique de l'ensemble rotatif que l'on vient d'installer, ce qui rend le four indisponible pendant longtemps. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif d'entraînement en rotation d'une turbine de brassage de four qui ait une durée de vie longue et dont l'arbre relié à la turbine de brassage puisse être remplacé sans qu'il soit nécessaire d'effectuer, après montage d'un nouvel arbre, un nouvel équilibrage dynamique de l'ensemble du dispositif d'entraînement. A cet effet l'invention a pour objet un dispositif d'entraînement en rotation d'une turbine de brassage des gaz à l'intérieur d'un four, du type comprenant un organe rotatif relié à la turbine, traversant une paroi délimitant le four, monté rotatif dans des paliers disposés à l'extérieur du four, caractérisé en ce que l'organe rotatif comprend un fourreau de forme générale tubulaire, monté rotatif dans les paliers, disposé à l'extérieur du four, un arbre relié à la turbine, traversant la paroi du four, dont la partie externe au four est montée à l'intérieur du fourreau, et des moyens de centrage et de positionnement axial de l'arbre par rapport au fourreau. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens de centrage de l'arbre par rapport au fourreau comprennent une surface cylindrique et une surface conique, ménagées sur le contour de la surface interne du fourreau coopérant avec des surfaces complémentaires ménagées sur la surface externe de l'arbre, les surfaces cylindriques complémentaires étant disposées à l'extrémité du fourreau la plus éloignée du four, appelée extrémité distale, et les surfaces coniques complémentaires étant disposées à l'extrémité du fourreau opposée à la précédente, appelée extrémité proximale, de façon que la base de la surface conique du fourreau délimite le bord de l'extrémité proximale de celui-ci - les moyens de positionnement axial de l'arbre par rapport au fourreau comprennent lesdites surfaces coniques complémentaires et des moyens élastiques formant appui, portés par l'arbre, en contact avec le bord de l'extrémité distale du fourreau - les moyens élastiques de positionnement axial de l'arbre par rapport au fourreau comportent au moins une rondelle Belleville disposée entre l'extrémité distale du fourreau et un ensemble comprenant un écrou et un contre-écrou fixés sur une partie filetée de l'arbre; - l'arbre comprend des moyens de refroidissement;; - les moyens de refroidissement de l'arbre comprennent des moyens d'approvisionnement en fluide de refroidissement reliés à un trou cylindrique percé le long de l'arbre, coaxial à celui-ci, le volume intérieur du trou étant divisé par une paroi tubulaire en deux chambres coaxiales de refroidissement, l'une centrale et l'autre annulaire, la chambre de refroidissement annulaire étant reliée aux moyens d'approvisionnement en fluide de refroidissement et la chambre de refroidissement centrale étant reliée, par une première extrémité, à la chambre annulaire et, par une seconde extrémité opposée à la précédente, à des moyens de refoulement du fluide de refroidissement ou débouchant à l'air libre - les moyens d'approvisionnement en fluide de refroidissement comprennent une chambre fixe d'alimentation en fluide de refroidissement, entourant la surface externe du fourreau, et une chambre rotative ménagée entre la surface externe de l'arbre et la surface interne du fourreau, ces chambres ainsi que la chambre annulaire de refroidissement de l'arbre étant raccordées en série par des orifices traversant respectivement la paroi du fourreau et la paroi de l'arbre ; - la chambre fixe d'alimentation en fluide de refroidissement entourant la surface externe du fourreau est disposée entre les paliers et une enveloppe renfermant ces paliers et la partie externe au four de l'organe rotatif - le fluide de refroidissement est de l'air comprimé. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en regard de l'unique figure annexée qui est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif selon l'invention. On voit sur cette figure un dispositif 10 d'entraînement en rotation d'une turbine 12 de brassage des gaz internes d'un four 14 à haute température pour le traitement thermique de pièces en acier. Ce dispositif d'entraînement 10 comprend un organe rotatif 16 relié à la turbine traversant une voûte 18 du four 14. Cet organe rotatif 16 tourne autour d'un axe X-X disposé sensiblement verticalement. Le dispositif 10 d'entraînement en rotation de la turbine comporte également des paliers à roulement 19,20 dans lesquels est monté l'organe rotatif 16. Ces paliers seront décrits ultérieurement. L'organe rotatif 16 comprend un arbre 22, traversant la voûte 18 du four, et un fourreau 24 emmanché sur la partie externe au four de l'arbre 22. Ce fourreau 24 est monté rotatif dans les paliers 19,20. L'extrémité 22A de l'arbre 22 disposée à l'intérieur du four est de forme conique et porte la turbine 12 solidaire en rotation de l'arbre 22 au moyen d'une clavette 26. L'extrémité 22B externe au four de l'arbre 22 est accouplée à un moteur d'entraînement de type connu, non représenté sur la figure, au moyen d'un organe d'accouplement 28 représenté en traits mixtes sur la figure. La surface externe de la partie de l'arbre 22 logée à l'intérieur du fourreau 24 comprend deux surfaces cylindriques 28,30 disposées de part et d'autre axialement d'un étranglement 34 ménagé sur l'arbre 22. Ces surfaces cylindriques 28,30 constituent des surfaces de guidage pour la mise en place de l'arbre 22 dans le fourreau 24. La surface externe de l'arbre 22 comporte également une surface cylindrique 36 et une surface conique 38 destinées au centrage de l'arbre 22 par rapport au fourreau 24. Ces surfaces de centrage 36,38 coopèrent avec des surfaces 36A,38A de forme complémentaire ménagées sur la surface interne 40 du fourreau 24. La surface de centrage cylindrique 36A du fourreau 24 est disposée à son extrémité 42 la plus éloignée du four, appelée extrémité distale. La surface de centrage conique 38A du fourreau 24 est disposée à son extrémité 44 opposée à la précédente, appelée extrémité proximale, de telle façon que la base de cette surface conique 38A délimite le bord de l'extrémité proximale 44. Les surfaces coniques complémentaires 38,38A de l'arbre 22 et du fourreau 24 constituent également des moyens de positionnement axial de l'arbre 22 par rapport au fourreau 24. Ces moyens de positionnement axial comprennent de plus des moyens élastiques 46, portés par l'arbre 22, en contact avec le bord d'extrémité distale 42 du fourreau. Ces moyens élastiques comprennent une rondelle Belleville 46 disposée entre l'extrémité distale 42 du fourreau et un ensemble comprenant un écrou 48 et un contre-écrou 50 vissés sur une partie filetée 52 de l'arbre 22. L'arbre 22 est percé sur toute sa longueur d'un trou cylindrique 54, d'axe confondu avec celui de l'arbre 22, dans lequel est disposé coaxialement un tube 56. L'extrémité 22A interne au four de l'arbre 22 est obturée au moyen d'un bouchon 57 soudé sur l'arbre. Une extrémité du tube 56 est reliée à l'extrémité 22B externe au four de l'arbre 22 au moyen d'une rondelle 58 soudée entre la surface du trou 54 et la surface externe du tube 56. Le tube 56 étant d'une longueur légèrement inférieure à la longueur du trou 54 de l'arbre 22, l'extrémité libre du tube 56 débouche dans le trou 54 à une faible distance du bouchon 57 de l'extrémité 22A interne au four de l'arbre 22. La paroi du tube 54 délimite ainsi, à l'intérieur du trou 54, deux chambres 60,62 coaxiales. Une première chambre centrale délimitée par la surface interne du tube 56 communique par l'extrémité libre du tube 56 avec une seconde chambre annulaire 62 agencée entre le tube 56 et la surface délimitant le trou 54. La chambre annulaire 62 du trou 54 est reliée à des moyens d'approvisionnement en fluide de refroidissement qui seront décrits ultérieurement. On décrit maintenant les paliers à roulement 19,20 dans lesquels est monté rotatif le fourreau 24. Un premier palier 19 inférieur, en considérant la figure, comporte un roulement à rouleaux 68. Le deuxième palier 20 supérieur comporte deux roulements à billes 70,72. Les roulements 68,70,72 sont positionnés axialement par rapport au fourreau 24 de la façon suivante. Le roulement à rouleaux 68 est positionné entre une butée 74 ménagée sur la surface externe du fourreau 24 et une entretoise tubulaire 76 d'espacement de ce roulement à rouleaux 68 et des roulements à billes 70,72. Ces roulements à billes 70,72 sont positionnés entre cette entretoise 76 d'espacement et un écrou 78 vissé sur une partie filetée de la surface externe du fourreau 24. Les paliers 19,20 sont montés dans un corps 80 tubulaire, formant une enveloppe de protection des moyens de positionnement dynamique du fourreau 24, et sont soudés sur la paroi de ce corps 80. Des graisseurs 81 destinés à la lubrification des roulements débouchent à l'extérieur du corps 80 et traversent les paliers 19,20 jusqu'aux roulements. On décrit maintenant des moyens d'étanchéité des paliers 19,20. Les moyens d'étanchéité du palier inférieur 19 comportent, d'une part, un premier joint torique 82 disposé entre ce palier inférieur et la surface externe de l'entretoise tubulaire 76 et, d'autre part, un second joint torique 84 disposé entre la surface externe du fourreau 24 et un flasque 86 fixé par des vis 88 au palier 19. Les moyens d'étanchéité du palier supérieur 20 comportent, d'une part, un premier joint torique 90 disposé entre ce palier supérieur et la surface externe de l'entretoise tubulaire 76 et, d'autre part, un second joint torique 92 disposé entre la surface externe du fourreau 24 et un flasque 94 fixé par des vis 96 au palier supérieur 20. L'ensemble constitué par le corps 80 et les paliers 19,20 est monté sur la voûte 18 du four par l'intermédiaire d'une boîte à eau de référence générale 98. Cette boîte à eau comprend une chambre annulaire 100 disposée entre un premier flasque 102 fixé sur la voûte 18 du four par des goujons 104, et un deuxième flasque 106 sur lequel est fixé le palier inférieur 19 par des boulons 108. On décrit maintenant les moyens d'approvisionnement en fluide de refroidissement. Dans l'exemple décrit le fluide de refroidissement utilisé est de l'air comprime. La paroi du corps 80, le fourreau 24 et les deux paliers 19,20 délimitent une chambre fixe annulaire 110 qui est raccordée à un dispositif d'alimentation en air comprimé de type connu, non représenté sur la figure, au moyen d'embouts de raccordement 112. L'air comprimé pénètre dans la chambre fixe 110 en passant par les embouts 112 comme cela est indiqué par les flèches FE de la figure. La paroi du fourreau 24 comporte un étranglement 114 disposé sensiblement en regard de la chambre fixe 110. Au droit de cet étranglement 114, l'entretoise tubulaire 76 est munie d'ouvertures 116 permettant le passage de l'air de refroidissement. Au droit de ces ouvertures 116, le fourreau 24 est muni de trous de passage 118 permettant à l'air d'accéder dans une chambre de distribution rotative 120 délimitée par la surface interne du fourreau 24 et par la surface de l'étranglement 34 de l'arbre 22. L'air arrivant dans la chambre rotative 120 est envoyé dans la chambre annulaire 62 de refroidissement de l'arbre 22 en passant à travers des orifices 122 ménagés à travers la paroi de l'arbre 22. Des joints d'étanchéité toriques 124 sont disposés entre la surface interne de l'entretoise tubulaire 76 et la surface externe du fourreau 24. L'étanchéité de la chambre rotative 120 est assurée par des joints toriques 126 disposés dans des gorges annulaires 128 de l'arbre 22 de part et d'autre de l'étranglement 34 de cet arbre. L'air de refroidissement circule dans la chambre annulaire 62 de refroidissement de l'arbre et pénètre dans la chambre centrale 60, à l'intérieur du tube 56, par l'extrémité libre de celui-ci. L'air de refroidissement est évacué par l'extrémité du tube 56 débouchant à l'extrémité 22B de l'arbre, opposée au four, comme cela est indiqué par la flèche FS de la figure. L'air comprimé est évacué librement dans l'atmosphère. Pour démonter une turbine, il suffit de désaccoupler 1 'arbre 22 du moteur d'entraînement, d'enlever le contre-écrou 50, l'écrou 48 et la rondelle Belleville 46 puis de retirer l'ensemble constitué par l'arbre 22 et la turbine 12. Pour remonter une nouvelle turbine 12, on fixe un arbre 22 à la nouvelle turbine 12, on équilibre en atelier cet ensemble, et on introduit l'arbre dans le fourreau. On fixe ensuite l'arbre au moyen de la rondelle Belleville 46, de l'écrou 48 et du contre-écrou 50. La surface cylindrique 36 et la surface conique 38 ménagées sur la surface externe de l'arbre 22 assurent un centrage précis de l'arbre dans le fourreau 24. Ces surfaces 36,38 ainsi que la rondelle Belleville 46 et l'écrou 48 assurent un positionnement statique de l'arbre 22 par rapport au fourreau 24. La rondelle Belleville 46 permet d'absorber les différences de dilation entre l'arbre et le fourreau. En effet, l'arbre pénètrant à l'intérieur du four a tendance à s'échauffer et à se dilater. La rondelle Belleville 46 permet de rattraper la déformation axiale de l'arbre 22 due à la dilation de celui-ci et d'assurer un bon contact entre les surfaces coniques complémentaires 38,38A, ménagées respectivement sur l'arbre et sur le fourreau. Le fourreau 24 ainsi que les paliers 19,20 à roulement étant disposés à l'extérieur du four, ceux-ci sont protégés de la chaleur du four et ne sont pas soumis à des contraintes thermiques importantes. Le fourreau n'étant pas démonté au cours du remplacement de l'arbre, le positionnement et l'équilibrage dynamique de ce fourreau n'ont pas été modifiés. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de refaire un équilibrage de l'ensemble constitué par la turbine, l'arbre et le fourreau. Par ailleurs, la circulation d'un fluide de refroidissement à l'intérieur de l'arbre creux augmente considérablement sa durée de vie. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'entraînement en rotation d'une turbine (12) de brassage des gaz à l'intérieur d'un four (14), du type comprenant un organe rotatif (16) relié à la turbine (12), traversant une paroi (18) délimitant le four, monté rotatif dans des paliers (19,20) disposés à l'extérieur du four, caractérisé en ce que l'organe rotatif (16) comprend un fourreau (24) de forme générale tubulaire, monté rotatif dans les paliers (19,20), disposé à l'extérieur du four, un arbre (22) relié à la turbine (12), traversant la paroi du four, dont la partie externe au four est montée à l'intérieur du fourreau, et des moyens de centrage (36,36A,38,38A) et de positionnement axial (38,38A,46,48) de l'arbre (22) par rapport au fourreau (24). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de centrage de 1 'arbre (22) par rapport au fourreau (24) comprennent une surface cylindrique (36A) et une surface conique (38A), ménagées sur le contour de la surface interne du fourreau (24) coopérant avec des surfaces complémentaires (36,38) ménagées sur la surface externe de l'arbre (22), les surfaces cylindriques complémentaires (36,36A) étant disposées à l'extrémité (42) du fourreau (24) la plus éloignée du four, appelée extrémité distale, et les surfaces coniques complémentaires (38,38A) étant disposées à l'extrémité (44) du fourreau opposée à la précédente, appelée extrémité proximale, de façon que la base de la surface conique (38) du fourreau délimite le bord de l'extrémité proximale de celui-ci. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de positionnement axial de l'arbre (22) par rapport au fourreau (24) comprennent lesdites surfaces coniques complémentaires (38,38A) et des moyens élastiques (46) formant appui, portés par l'arbre, en contact avec le bord de l'extrémité distale (42) du fourreau (24). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens élastiques de positionnement axial de l'arbre (22) par rapport au fourreau (24) comportent au moins une rondelle Belleville (46) disposée entre l'extrémité distale (42) du fourreau (24) et un ensemble comprenant un écrou (48) et un contre-écrou (50) fixés sur une partie filetée (52) de l'arbre (22). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arbre (22) comprend des moyens de refroidissement (54). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement de l'arbre (22) comprennent des moyens d'approvisionnement en fluide de refroidissement reliés à un trou cylindrique (54) percé le long de l'arbre (22), coaxial à celui-ci, le volume intérieur du trou (54) étant divisé par une paroi tubulaire (56) en deux chambres coaxiales (60,62) de refroidissement, l'une centrale (60) et l'autre annulaire (62), la chambre de refroidissement annulaire (62) étant reliée aux moyens d'approvisionnement en fluide de refroidissement et la chambre de refroidissement centrale (60) étant reliée, par une première extrémité, à la chambre annulaire (62) et, par une seconde extrémité opposée à la précédente, à des moyens de refoulement du fluide de refroidissement ou débouchant à l'air libre. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'approvisionnement en fluide de refroidissement comprennent une chambre fixe (110) d'alimentation en fluide de refroidissement, entourant la surface externe du fourreau (24), et une chambre rotative (120) ménagée entre la surface externe de l'arbre (22) et la surface interne du fourreau (24), ces chambres (110, 120) ainsi que la chambre (62) annulaire de refroidissement de l'arbre (22) étant raccordées en série par des orifices (118,122) traversant respectivement la paroi du fourreau (24) et la paroi de l'arbre (22). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre fixe (110) d'alimentation en fluide de refroidissement entourant la surface externe du fourreau (24) est disposée entre les paliers (19,20) et une enveloppe (80) renfermant ces paliers (19,20) et la partie externe au four de l'organe rotatif (16). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est de l'air comprimé.