Brevet FR2809782A1 — publié le 20011207

Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des paliers fluides hydrostatiques alvéolés destinés à supporter des arbres rotatifs notamment dans des turbopompes pour moteur fusée de mise sous pression de fluide. Art antérieur Les paliers fluides hydrostatiques alvéolés sont d'un emploi courant dans de nombreuses applications industrielles, notamment pour des usages comportant de fortes charges ou nécessitant des vitesses élevées ou une grande précision ou une grande durée de vie. Néanmoins ils sont d'un usage encore peu fréquent dans les turbopompes pour moteur fusée. La figure 4 représente la structure d'un palier hydrostatique classique 40 comprenant un stator palier annulaire 4dans lequel un rotor 42 constituant l'arbre d'une turbopompe est logé, Lors du fonctionnement de la turbopompe, le rotor 42 est maintenu en sustentation par une mince couche de fluide introduite sous pression, par des orifices 44, dans des alvéoles 43 du stator palier 41. Les alvéoles 43 sont directement usinées dans la masse du stator 41. Comme la surface interne du stator est cylindrique, l'usinage de telles alvéoles est assez délicat. L'usinage est d'autant plus délicat que le diamètre du stator est faible. Un réservoir auxiliaire de pressurisation du fluide pour maintenir l'arbre en lévitation dès les premiers instants peut être utilisé lors des phases transitoires pour éviter des contacts arbre-paliers risquant d'endommager le système d'entraînement de la pompe. Un tel dispositif d'assistance contribue à alourdir le dispositif de pompe et à augmenter les risques de défaillance. Aussi, le plus souvent, dans les turbopompes de moteur fusée, la pression utilisée pour introduire le fluide dans le stator palier est prélevée directement en sortie de pompe. Par conséquent, durant une partie des phases transitoires (démarrage, arrêt...) rencontrées pendant le fonctionnement de telles pompes, l'alimentation en pression de fluide des paliers prélevée en sortie de pompe n'a pas encore ou n'a plus le niveau suffisant pour assurer la lévitation du rotor. Afin de réduire les risques de défaillance lors des contacts arbre-paliers, la surface interne du stator peut subir un traitement de surface spécifique ou bien un revêtement mince lubrifiant peut y être déposé. Cependant, un tel traitement de la surface interne du palier présente un certain nombre de difficultés, notamment en ce qui concerne l'épaisseur, qui est généralement inférieure à 50 m. et l'homogénéité d'une telle couche de revêtement. Les faibles épaisseurs obtenues ne permettent pas d'effectuer un grand nombre de transitoires sans dégradations de l'arbre et des paliers. Objet et description succincte de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser plus commodément un palier fluide hydrostatique alvéolé qui minimise les risques de défaillance en cas de contacts arbre-paliers. Ces buts sont atteints grâce à un palier fluide hydrostatique comprenant un stator cylindrique comportant des orifices d'introduction de fluide sous pression, caractérisé en ce que le stator comprend sur sa surface interne, une bague constituée d'un assemblage d'une plaque métallique, comportant des orifices qui coopèrent avec les orifices d'introduction de fluide, avec une couche de matériau composite autolubrifiant qui comprend des alvéoles disposées autour des orifices. Ainsi, le palier fluide selon l'invention présente une épaisseur de couche de matériau composite sur sa surface interne autorisant une usure importante de celleci sans risque de dommages irrémédiables sur l'arbre ou le palier en cas de contacts arbre-palier, ce qui permet également d'avoir des phases transitoires sans assistance. Plus particulièrement, la bague est un anneau ouvert maintenu en compression dans le stator. Spécifiquement, l'épaisseur de la couche de matériau composite est supérieure à 50 m et inférieure à 2mm. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un palier fluide hydrostatique alvéolé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes d'assemblage d'une couche d'un matériau composite autolubrifiant sur une surface d'une plaque métallique plane, de découpage de l'assemblage plaque métalliquematériau composite selon des dimensions qui correspondent à la développée d'une surface interne d'un stator, d'usinage d'alvéoles dans l'épaisseur de la couche du matériau composite de l'assemblage, de cintrage sous forme de bague fendue de l'assemblage, d'insertion de l'assemblage en forme de bague fendue sur la surface interne du stator, et d'usinage d'orifices dans l'épaisseur du stator et dans l'assemblage inséré au niveau des alvéoles. Le procédé de fabrication d'un palier hydrostatique selon l'invention permet donc de réaliser la partie interne du stator destinée à recevoir un arbre rotatif à partir d'une structure métallique plane qui permet la formation d'une couche épaisse de matériau composite autolubrifiant et qui facilite l'usinage des alvéoles. Plus spécifiquement, l'épaisseur de la couche de matériau composite est supérieure à 50 m et inférieure à 2mm. Selon un aspect particulier de l'invention, l'étape d'insertion par frettage de l'assemblage est réalisée soit au moyen d'une presse, soit par dilatation thermique du stator, soit par contraction thermique de l'assemblage en forme de bague ou encore par une combinaison de deux ou trois de ces actions. Selon un autre aspect de l'invention, le procédé de fabrication comprend une étape de réalésage final de la surface interne du stator au niveau de la couche de matériau composite. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particulicrs de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure )1 est une vue schématique montrant un assemblage pour palier conformément à un mode de réalisation selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique tronquée en perspective montrant un assemblage mis en forme selon l'invention, la figure 3 est une vue schématique en perspective tronquée d'un palier fluide hydrostatique conformément à un mode de réalisation de l'invention, et la figure 4 est une en perspective d'un palier fluide hydrostatique selon l'art antérieur. Description détaillée des modes de réalisation de l'invention La figure 3 représente un palier fluide hydrostatique conformément à un mode de réalisation de l'invention. Le palier selon l'invention comprend un stator 4 massif de forme cylindrique comportant sur sa surface interne une bague fendue 6 maintenue en compression à l'intérieur de stator 4. La bague 6 comprend une première épaisseur constituée d'une plaque métallique 2 qui est en contact avec la surface interne du stator 4 et une deuxième épaisseur formée d'une couche de matériau composite autolubrifiant 3 qui délimite la surface interne du palier destinée à supporter et à sustenter un arbre rotatif (non représenté). La couche de matériau composite 3 présente des alvéoles 5 disposées régulièrement sur la surface interne du palier. Chaque alvéole 5 présente un orifice 7 qui traverse l'épaisseur du stator 4 et de la plaque métallique 2. Les orifices 7 permettent d'alimenter en fluide sous pression les alvéoles 5 du palier pour réaliser le mécanisme de sustentation de l'arbre rotatif propre aux paliers hydrostatiques. Le palier hydrostatique selon l'invention comporte alors sur sa surface interne, entre les alvéoles, un matériau composite qui présente une épaisseur pouvant aller jusqu'à 1mm. ce qui est une valeur importante en comparaison avec les épaisseurs de film de revêtement lubrifiant obtenues par traitement spécifique de la surface interne des stators de paliers dans l'art antérieur. Ainsi. le palier selon l'invention permet de nombreuses opérations d'ajustage telles qu'un réalésage final ou de reprise en ligne des paliers telles que l'appairage ou l'alignement de deux paliers grâce à la disponibilité conséquente de matériau composite lubrifiant. En raison toujours de l'épaisseur conséquente de matériau composite présente sur la surface interne du palier de l'invention, les phases transitoires de démarrage et d'arrêt de turbopompes, notamment cryogéniques, sont facilitées par la tolérance accrue des contacts arbre-paliers, ce qui permet aussi à de tels paliers d'être résistants aux cas de pannes grâceà leur endurance vis-à-vis de ces contacts. Le procédé de fabrication du palier fluide hydrostatique selon la présente invention va être décrit en relation avec les figures 1 à 3 qui montrent les différents aspects des éléments constitutifs du palier selon l'invention lors des étapes de fabrication de celui-ci. La figure 1 représente les trois premières étapes de fabrication du palier selon l'invention qui consiste, dans un premier temps, à réaliser un assemblage 1 à partir d'une plaque plane métallique 2 sur laquelle une couche d'un matériau composite autolubrifiant 3 est formée. L'assemblage 1 ainsi formé est ensuite découpé selon des dimensions qui correspondent à la développée de la surface interne du stator palier 4 (figure 3) dans lequel il est destiné à être inséré en fin du processus de fabrication selon l'invention. Puis, des alvéoles 5 sont usinées par fraisage ou autre uniquement dans l'épaisseur de la couche de matériau composite 3. A la différence des paliers fluides hydrostatiques de l'art antérieur où les alvéoles sont directement usinées dans la surface interne du stator cylindrique, sur laquelle, ensuite, un dépôt de revêtement mince lubrifiant peut être effectué, l'invention propose de réaliser ces étapes sur la structure d'assemblage plane 1. Ceci permet alors d'avoir un contrôle plus précis de l'épaisseur de la couche de matériau composite autolubrifiant en termes d'importance et d'homogénéité. En effet, le procédé selon l'invention permet l'incorporation d'une couche homogène d'épaisseur importante de matériau composite autolubrifiant jusqu'à environ 1 mm à l'intérieur du stator palier, contrairement aux solutions de traitement de surface ou de dépôt de revêtement mince. De plus, grâce à la forme plane de l'assemblage 1 en début de fabrication du palier selon l'invention, l'usinage des alvéoles s'en trouve facilité, notamment pour des paliers à faible diamètre d'alésage (diamètre inférieur à 45 mm) puisque cette opération est maintenant réalisée sur une plaque plane. La figure 2 illustre l'assemblage 1 après une étape de mise en forme de l'assemblage qui consiste à cintrer celui-ci pour passer d'une forme plane telle que montrée sur la figure 1 à une forme de bague fendue 6 ouverte représentée sur la figure 2. L'assemblage sous forme de bague fendue ouverte comme montré en figure 2 présente alors une forme sensiblement cylindrique avec une surface externe constituée de la plaque métallique 2 et une surface interne délimitée par la couche de matériau composite 3 qui comporte les alvéoles 5. Enfin, la figure 3 représente la structure finale du stator palier obtenu à partir du procédé de la présente invention. Dans cette étape ultime de formation du palier selon l'invention, le stator massif 4 reçoit, sur sa surface interne, la bague fendue 6 constituée de l'assemblage 1 cintrée de sorte que la surface externe de la bague 6 formée par la plaque métallique 2 vienne en appui contre la surface interne du stator. L'insertion dans le stator palier 4 de la bague fendue 6, qui présente au repos un écartement supérieur au diamètre du stator, s'effectue soit par montage à la presse, soit par dilatation thermique du stator, soit par contraction thermique de la bague fendue 6, soit par une combinaison de deux ou trois de ces actions. Ainsi, La couche de matériau composite autolubrifiant 3 constitue maintenant la surface interne du stator qui présente alors un revêtement autolubrifiant d'épaisseur importante comportant des alvéoles. Des orifices 7 permettant d'alimenter les alvéoles 5 et assurant le phénomène de compensation propre aux paliers hydrostatiques sont usinées par perçage du stator palier 4 et de la bague fendue 6 pour déboucher dans les alvéoles 5 de la couche de matériau composite 3. Le procédé de fabrication du palier hydrostatique selon l'invention peut en outre comprendre une opération de réalésage final de la surface interne du stator 4 au niveau de la couche de matériau composite 3 destinée à appairer deux paliers ou à assurer leur alignement. REVENDICATIONS 1. Palier fluide hydrostatique comprenant un stator cylindrique (4) comportant des orifices (7) d'introduction de fluide sous pression, caractérisé en ce que ledit stator comprend sur sa surface interne une bague (6) constituée d'un assemblage d'une plaque métallique (2) comportant des orifices (8) qui coopèrent avec les orifices (7) d'introduction de fluide avec une couche de matériau composite autolubrifiant (3) qui comprend des alvéoles (5) disposées autour desdits orifices (7. 8). 2. Palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague (6) est un anneau ouvert maintenu en compression dans le stator (4). 3. Palier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche de matériau composite est supérieure à 50 m. 4. Palier selon la revendication ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche de matériau composite est comprise dans une plage qui s'étend de 50 m à 2mm. 5. Procédé de fabrication d'un palier fluide hydrostatique alvéolé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) assemblage (1) d'une couche d'un matériau composite autolubrifiant (3) sur une surface d'une plaque métallique plane (2) ; b) découpage de l'assemblage (1) plaque métallique-matériau composite selon des dimensions qui correspondent à la développée d'une surface interne d'un stator (4) ; c) usinage d'alvéoles (5) dans l'épaisseur de la couche du matériau composite ( 1 ) dudit assemblage : d) cintrage sous forme de bague fendue (6) dudit assemblage ( 1 ) ; e) insertion dudit assemblage en forme de bague fendue sur la surface interne du stator (4) : et f) usinage d'orifices (7) dans l'épaisseur du stator et dans l'assemblage inséré au niveau desdites alvéoles (5). 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche de matériau composite est supérieure à 50 m. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche de matériau composite est comprise dans une plage qui s'étend de 50 m à 2mm. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'étape e) d'insertion par frottage dudit assemblage est réalisée au moyen d'une presse. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'étape e) d'insertion par frottage dudit assemblage est réalisée par dilatation thermique du stator (4), 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'étape e) d'insertion par frottage dudit assemblage est réalisée par contraction thermique de l'assemblage en forme de bague (6). 11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'étape e) est réalisée à partir d'une combinaison des actions suivantes: pressage, dilatation thermique du stator et contraction thermique dudit assemblage. 12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de réalésage final de la surface interne du stator (4) au niveau du matériau composite (3).