Brevet FR2720563A1 — publié le 19951201

La présente invention concerne les machines tournantes et plus particulièrement, celles qui comportent une chemise dans leur alésage statorique. On sait, en effet, que dans tous les types de machines synchrones et asynchrones, les conditions de service ou d'environnement peuvent nécessiter le chemisage du stator. Ceci est notamment le cas pour les moteurs fonctionnant en ambiance difficile, en milieu chimique ou pollué, en milieu immergé et dans tous les cas où le bobinage doit être isolé ou protégé du fluide présent dans l'entrefer. Le chemisage du stator d'une machine à courant alternatif peut être réalisé en un matériau métallique, tel que de l'acier amagnétique. Cependant, la présence d'une telle pièce métallique génère des pertes par courants de Foucault, ce qui réduit le rendement de la machine. Cette solution n'est acceptable que si la fréquence est peu élevée (inférieure à 50 Hz) et le refroidissement de la chemise aisé. Mais la perte de rendement devient inacceptable pour des machines fonctionnant à des fréquences élevées. Il faut donc envisager, dans de nombreux cas, de réaliser le chemisage du stator en un matériau amagnétique et non conducteur afin de ne pas générer de pertes par courants de Foucault. Les matériaux classiquement utilisés sont les composites et les céramiques. La chemise est prévue pour isoler le stator et elle doit donc être raccordée à la carcasse pour définir un compartiment, dit "compartiment stator". De façon classique, lorsque la chemise est métallique, elle est directement soudée sur la carcasse et plus particulièrement sur les pièces support prévues à cet effet. La technique couramment utilisée est celle dite "des lèvres minces". Ces pièces sont généralement dénommées flasques de fermeture et constituent des pièces de liaison entre la chemise et la carcasse. Ce montage ne pose aucun problème particulier, du fait de la similitude entre les coefficients de dilatation des tôles de la carcasse et de la chemise. Par contre, lorsque la chemise est réalisée en un matériau non-conducteur, ce montage ne peut pas être utilisé car les matériaux de la chemise et de la carcasse présentent des coefficients de dilatation différents. L'invention concerne une machine tournante comportant une liaison entre la chemise du stator et la carcasse qui assure une parfaite étanchéité, pour toute température de fonctionnement de la machine, même dans le cas où ces pièces sont réalisées en des matériaux à coefficients de dilatation thermique différents. L'invention est particulièrement adaptée aux machines comportant une chemise non-métallique mais elle convient également aux machines dont la chemise est réalisée en un matériau métallique. L'invention est donc relative à une machine tournante dont l'alésage statorique est destiné à recevoir une chemise, une liaison élastique étant prévue entre la chemise et la carcasse, caractérisée en ce que ladite liaison, réalisée entre au moins une face plane d'extrémité de la chemise et la carcasse, est démontable et étanche pour toute température de fonctionnement de la machine, et s'adapte aux dilatations axiales et radiales de la chemise. De préférence, la liaison est constituée par un dispositif à joint placé sur la face d'extrémité plane de la chemise et des moyens élastiques fixés entre ledit dispositif et la carcasse. Dans un mode de réalisation, ledit dispositif à joint est constitué d'un joint, plaqué contre la face d'extrémité plane de la chemise par des moyens de serrage, ledit joint se comportant comme un joint statique. Les moyens de serrage peuvent notamment comprendre une pièce support de joint ainsi que des tirants, répartis sur la périphérie de la chemise ou des tiges fixées, à une extrémité, aux encoches du circuit magnétique stator. Selon une première variante de réalisation, les moyens élastiques sont constitués par un soufflet métallique. Dans un mode de réalisation, ladite liaison élastique est réalisée entre la chemise et un flasque de fermeture. Dans ce cas et selon une deuxième variante de réalisation, le flasque de fermeture est souple et constitue lesdits moyens élastiques. Le flasque comporte alors, de préférence, une lyre de dilatation permettant les dilatations radiales. La machine tournante selon l'invention comporte notamment une chemise, réalisée en un matériau amagnétique et non-conducteur, tel qu'un matériau composite ou céramique. La chemise peut également être maintenue élastiquement dans l'alésage statorique, conformément à la demande de brevet français nO 2 708 803. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de modes non limitatifs de réalisation de l'invention, faite au regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une coupe partielle d'une machine tournante connue de l'état de la technique, selon l'axe de la machine, - la figure 2 représente une demi-coupe partielle d'un mode de réalisation d'une machine tournante conforme à l'invention, selon l'axe de la machine, - la figure 3 représente le détail A de la figure 2, - la figure 4 représente une vue partielle d'un autre mode de réalisation de la figure 3, - la figure 5 représente une demi-coupe partielle d'un autre mode de réalisation d'une machine tournante conforme à l'invention, selon l'axe de la machine, et - la figure 6 représente une vue partielle en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5. Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références. En référence à la figure 1, une machine tournante classique comprend un stator 1 dont l'alésage 2 est destiné à recevoir le rotor 3 de la machine. Le circuit magnétique prévu dans le stator est constitué par des bobinages 4. L'axe de la machine porte la référence 30. Une chemise 5 est montée dans l'alésage au moyen d'un système 6 à joints et d'un flasque 7, qui est lui-même fixé à la carcasse 8 de la machine par des moyens classiques. Le flasque 7 comporte une partie en saillie 9 qui est destinée à venir en contact avec la face externe 10 de la chemise. Le système à joints 6 comporte essentiellement un élément 12 destiné à venir en contact avec le flasque 7 et la face interne 11 de la chemise, une pièce conique 13 pour serrer l'élément 12 contre la chemise et des joints 14, 15 et 16. Le joint 16 est disposé entre l'élément 12 et le flasque 7. Les joints 14 sont placés entre la face externe 10 de la chemise et la partie en saillie 9 du flasque, tandis que les joints 15 sont disposés entre la face interne 11 de la chemise et l'élément 12. Les joints 14 et 15 sont placés sur la surface cylindrique de la chemise. Pour assurer l'étanchéité, il est donc nécessaire de placer des joints à la fois sur la face externe 10 et sur la face interne 11 de la chemise. Le flasque 7 comporte une partie 17 plus mince, ce qui lui confère une certaine souplesse. Ainsi, ce montage pourrait être utilisé pour assurer une liaison entre une chemise et la carcasse d'une machine, lorsque ces pièces sont réalisées en des matériaux dont les coefficients de dilatation sont différents. Cependant, ce montage pose de nombreux problèmes. En effet, les joints sont nécessairement assemblés avec un jeu et celui-ci peut varier du fait des coefficients de dilatation différents de la chemise 5, du flasque 7 et de l'élément 12. Ces joints n'assurent donc pas une étanchéité correcte. De plus, s'il est nécessaire de prévoir des joints sur les deux faces de la chemise, le nombre important de joints qui en résulte augmente encore les risques de fuites. On peut encore noter que les joints risquent d'être détériorés pendant leur mise en place, lorsque la partie en saillie 9 et l'élément 12 qui supportent les joints 14 et 15 sont emboîtés sur la chemise 5. De plus, la pression qui règne dans le compartiment stator 19 est maintenue sensiblement égale à celle qui est présente dans l'alésage 2 grâce à un système approprié non représenté. Cependant, elle peut être relativement élevée par rapport à la pression atmosphérique. Ainsi, lors du montage et après emboîtement de la partie en saillie 9 et de l'élément 12 sur la chemise, il existe une différence de pression importante entre l'espace correspondant au jeu initial du montage et la face du joint en contact avec le compartiment stator 19 ou l'alésage 2. Ceci impose l'utilisation de joints munis de bague anti-extrusion. La pièce conique 13, qui est nécessaire pour serrer l'élément 12 sur la chemise 5, génère des contraintes dans la chemise elle-même. Celles-ci peuvent détériorer la chemise lorsque celle-ci est réalisée en céramique, car c'est un matériau relativement fragile. Enfin, ce montage est relativement coûteux, notamment du fait de la pièce 13 et ne peut assurer l'étanchéité du compartiment stator que dans une plage de températures relativement réduite. On se réfère maintenant à la figure 2, sur laquelle le rotor n'est pas illustré. Dans l'exemple représenté, la chemise 5 est montée de façon rigide à une extrémité et de façon élastique à l'autre extrémité. Le montage élastique selon l'invention (détail A) sera décrit de façon détaillée au regard de la figure 3. La machine tournante selon l'invention comporte au moins une liaison élastique entre la chemise et la carcasse. Lorsqu'une telle liaison est prévue aux deux extrémités de la chemise, on obtient une meilleure répartition des dilatations et une réduction des efforts. Conformément à la figure 3, dans la machine tournante selon l'invention, la liaison élastique étanche entre la chemise 5 et la carcasse 8 est réalisée entre la face d'extrémité plane 20 de la chemise et la carcasse et non, entre les faces cylindriques de la chemise et la carcasse, comme dans la machine illustrée à la figure 1. La liaison est réalisée au moyen d'un dispositif à joint 28 comprenant une pièce 21, laquelle comporte une gorge dans laquelle est placé un joint 22. Ce joint est maintenu plaqué contre la face d'extrémité plane 20 de la chemise 5 au moyen d'une part, d'une bride 23 qui est en appui sur un épaulement 24 de la chemise 5 et d'autre part, de tirants 25 qui sont répartis sur la périphérie de la chemise pour garantir un serrage régulier. La bride 23 peut être réalisée en une partie ou en plusieurs, sous forme de secteurs, s'il n'est pas possible de l'introduire dans l'alésage 2. Dans le cas où la bride est constituée de plusieurs secteurs, on reconstitue la bride pour former un anneau, par assemblage (notamment boulonnage) des secteurs. On obtient ainsi une bride complète rigide pour le serrage du joint 22. La pièce 21 support de joint est de préférence métallique et soudée directement à un soufflet 26, de préférence également métallique. Le soufflet 26 est lui-même soudé sur le flasque d'extrémité 27 qui est classiquement fixé à la carcasse par une liaison boulonnée ou soudée (représentée à la figure 2). On comprend que dans la machine tournante selon l'invention, le joint 22 peut être plaqué fermement contre la face d'extrémité 20. Ainsi, le serrage du joint reste constant malgré d'éventuelles dilatations de la chemise. Dans cette machine, on assure donc une étanchéité statique au niveau du joint, qui est efficace pour toute température de fonctionnement et notamment jusqu'à 150"C. Dans la machine illustrée à la figure 1, l'étanchéité ne peut être assurée que dans une plage de température réduite, notamment comprise entre 10 et 400C. La machine tournante ne nécessite qu'un joint, ce qui contribue également à assurer l'étanchéité de la liaison entre la chemise et la carcasse. D'autre part, le soufflet élastique 26 assure l'élasticité de la liaison entre la chemise 5 et le flasque 27, pour permettre à celle-ci de s'adapter aux dilatations axiales et radiales de la chemise. Ceci présente également un avantage par rapport au flasque souple de la figure 1 puisque celui-ci ne peut reprendre que les dilatations axiales. La machine tournante selon l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit en référence aux figures 2 et 3. Tout autre assemblage permettant de serrer le joint 22 sur une face d'extrémité plane 20 de la chemise peut être utilise. Ainsi, la figure 4 illustre un autre assemblage de joint dans lequel l'épaulement 24 est prolongé de façon à ce que sensiblement l'ensemble de la pièce 21 support de joint vienne en appui sur lui. Il n'est alors plus nécessaire de prévoir la bride 23, les tirants 25 venant directement serrer la pièce 21 sur l'épaulement 24. On peut également se référer à la figure 5 qui illustre un autre mode de réalisation de la machine tournante selon l'invention. La figure 5 montre une liaison élastique étanche entre la chemise 5 et la carcasse, par l'intermédiaire du flasque d'extrémité 27. Une liaison similaire ou encore une liaison rigide, peut être prévue à l'autre extrémité de la chemise. Cette liaison élastique est réalisée, comme dans le mode de réalisation de la figure 3, entre la face d'extrémité plane 20 de la chemise et la carcasse. Elle comporte un dispositif à joints 30 comprenant une pièce 31, support de joint. Cette pièce présente une partie évidée 32 qui forme un logement dans lequel est placé un joint 33. Le joint 33 présente une forme en L dont une partie est placée contre la face d'extrémité plane 20 et dont l'autre partie est placée contre la face externe 10 de la chemise 5. Cette autre partie du joint est de forme cylindrique. Elle permet de centrer le joint 33 sur la chemise 5 et d'éviter ainsi son expulsion du logement, en cas de surpression d'un côté ou de l'autre de la chemise. La partie cylindrique du joint 33 permet également d'empécher tout contact entre la pièce 31 et la chemise 5, en phase de montage ou en cas de choc. En effet, la chemise peut notamment être réalisée en céramique ou en matériau composite. Elle pourrait alors être endommagée au contact d'une pièce métallique, par exemple sous forme de fêlure ou d'écaillage. Ce joint est maintenu plaqué contre la face d'extrémité plane 20 de la chemise 5 au moyen de tiges 34 qui sont vissées dans des écrous 35. Comme l'illustre également la figure 6, ces écrous sont logés dans les encoches 36 du circuit magnétique prévu dans le stator. Ils sont maintenus dans le sens axial par des taquets 37 soudés sur les doigts de serrage 38 des tôles qui constituent le stator. Aucune modification du circuit magnétique du stator n'est nécessaire. Selon la figure 6, la chemise 5 est maintenue élastiquement dans l'alésage statorique, grâce à des moyens élastiques 47 prévus entre les bobines 48 du stator et les cales 49 fermant les encoches 36 dans lesquelles les bobines sont placées. Un tel montage est décrit dans la demande de brevet français 2 708 803. Cependant, ce montage n'est pas nécessairement utilisé dans le cadre de la présente invention. Le nombre de tiges 34 est déterminé en fonction de l'effort nécessaire à la mise en pression du joint. Les tiges sont accessibles après leur montage. En effet, des trous 41 sont aménagés dans le flasque 27. Ils permettent de desserrer les tiges 34 et donc, de libérer la chemise 5 des moyens de serrage des joints, sans qu'il soit nécessaire de dessouder aucune pièce. Ces trous 41 sont obturés par des bouchons filetés 42 qui peuvent être condamnés si nécessaire. La liaison élastique décrite en relation avec les figures 5 et 6 est donc bien démontable, comme celle conforme aux figures 2 à 4. Les trous 41 prévus dans le flasque 27 peuvent également être utilisés, après montage, pour régler la tension des tiges de serrage 34 et ainsi ajuster la pression exercée par le joint 33 sur la chemise 5. Des rondelles élastiques précontraintes 40 sont placées entre la tête 39 de chaque tige 34 et la pièce support de joint 31. Elles permettent de régler l'effort de précontrainte du joint 33. Ces rondelles compensent également les effets d'éventuelles dilatations différentielles, dues à la présence de matériaux différents, et permettent donc de maintenir le joint 33 serré contre la chemise 5. Elles permettent également d'éviter que les efforts de serrage soient directement appliqués sur la chemise 5. Le soufflet métallique 26 est soudé sur des anneaux 43 et 44. L'anneau 43 est lui-même soudé sur le flasque 27 tandis que l'anneau 44 est soudé sur la pièce 31. Le soufflet métallique permet la libre dilatation axiale de la chemise 5 et l'isole des déformations du flasque 27, solidaire de la carcasse du moteur. Ces déformations peuvent être provoquées par une surpression du compartiment stator ou par des allongements, dus aux différences de coefficient de dilatation des matériaux utilisés. Enfin, un fourreau isolant 45 est, de préférence, prévu autour de chaque tige 34, au niveau de la pièce support de joint 31. Il permet d'isoler électriquement les tiges pour éviter de former une cage à l'intérieur du champ électrique généré par le bobinage. De même, une isolation 46 est, de préférence, prévue sur la partie libre de chaque tige 34 pour maintenir des distances à la masse suffisantes vis-à-vis du bobinage voisin. La liaison élastique qui vient d'être décrite permet de maintenir axialement et sans contrainte la chemise dans l'alésage, en s'affranchissant des problèmes liés aux déformations du flasque et aux différences de coefficient de dilatation des matériaux. Elle garantit l'efficacité du joint plat prévu entre la chemise et les anneaux dans une large plage de température. La liaison est démontage et peut être réglée après montage. Son montage est enfin très simple puisqu'il ne nécessite aucune modification du circuit magnétique du stator. De façon générale, tout moyen de serrage du joint sur une face d'extrémité plane de la chemise peut convenir. En ce qui concerne le soufflet, il peut être remplacé par tout moyen assurant la même fonction. En particulier, si l'on utilise un flasque souple, comme le flasque aminci illustré à la figure 1, il est préférable de prévoir, sur le flasque, une lyre de dilatation permettant les dilatations radiales. Ces moyens élastiques (soufflet, flasque souple ou autres) assurent une liaison élastique entre la chemise et la carcasse et permettent la libre dilatation des différentes pièces de la machine tournante sans générer de contraintes dans la chemise. Cependant, lorsque les flasques sont destinés à servir de support à d'autres équipements, il est préférable que les flasques soient rigides. On peut aussi envisager de raccorder le soufflet directement sur la carcasse, sans utiliser de flasque de fermeture, tel que le flasque 27, si la carcasse est conçue à cet effet. Comme indiqué précédemment, l'invention est plus particulièrement destinée aux machines tournantes comprenant une chemise non-métallique qui ne peut pas être directement soudée à la carcasse, ou à un flasque de fermeture. L'invention peut cependant être avantageusement utilisée pour des machines tournantes dont la chemise est métallique. En effet, la liaison selon l'invention étant démontable, elle peut être préférée pour des raisons de maintenance. L'invention est particulièrement adaptée à la machine tournante décrite dans la demande de brevet français nO 2 708 803 dont le contenu est ici inclus à titre de référence. Cette machine comporte une chemise qui est maintenue élastiquement dans l'alésage statorique, grâce à des moyens élastiques prévus entre les bobines du stator et les cales fermant les encoches dans lesquelles les bobines sont placées. Un tel montage est bien adapté à une chemise réalisée en un matériau différent de celui des autres pièces de la machine, notamment en céramique ou en un matériau composite. En effet, grâce à ce montage, la chemise ne peut plus subir de contraintes excessives au cours du fonctionnement de la machine, du fait des dilatations radiales différentielles des matériaux utilisés. Tous les écarts éventuels sont compensés grâce au montage élastique réalisé par l'ensemble cales-moyens élastiques. Au contraire, le montage encastré tel que décrit à la figure 1, ne conviendrait pas à une machine tournante selon la demande FR-2 708 803 car il ne peut pas compenser les écarts intervenant dans cette machine. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement la portée. REVENDICATIONS 1. Machine tournante dont l'alésage statorique (2) est destiné à recevoir une chemise (5), une liaison élastique étant prévue entre ladite chemise (5) et la carcasse (8), caractérisée en ce que ladite liaison, réalisée entre au moins une face (20) plane d'extrémité de la chemise (5) et la carcasse (8), est démontable et étanche pour toute température de fonctionnement de la machine, et s'adapte aux dilatations axiales et radiales de la chemise. 2. Machine tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison est constituée par un dispositif à joint (28, 30) placé sur la face d'extrémité plane (20) de la chemise et des moyens élastiques (26) fixés entre ledit dispositif et la carcasse (8). 3. Machine tournante selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit dispositif à joint (28, 30) est constitué d'un joint (22, 33), plaqué contre la face (20) d'extrémité plane de la chemise (5) par des moyens de serrage (21, 23, 25; 21, 25; 31, 34), ledit joint se comportant comme un joint statique. 4. Machine tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de serrage comprennent une pièce (21) support de joint (22) et des tirants (25), répartis sur la périphérie de la chemise. 5. Machine tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de serrage comprennent une pièce (31) support de joint (33) et des tiges (34) fixées, à une extrémité, aux encoches (36) du circuit magnétique stator. 6. Machine tournante selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les moyens élastiques sont constitués par un soufflet (26) métallique. 7 - Machine tournante selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite liaison élastique est réalisée entre la chemise (5) et un flasque de fermeture (27). 8 - Machine tournante selon la revendication 7 caractérisée en ce que ledit flasque de fermeture est souple et constitue lesdits moyens élastiques. 9 - Machine tournante selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit flasque souple comporte une lyre de dilatation permettant les dilatations radiales. 10 - Machine tournante selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite chemise (5) est réalisée en un matériau amagnétique et non-conducteur, tel qu'un matériau composite ou céramique. 11 - Machine tournante selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ladite chemise (5) est maintenue élastiquement dans l'alésage statorique (2).