Brevet FR2812117A1 — publié le 20020125

La présente invention concerne un écran de protection thermique pour un arbre tournant, notamment pour un arbre de pompe primaire de centrale nucléaire. De nombreuses installations industrielles comportent des arbres tournants qui sont soumis à des différentiels de températures entre deux zones engendrant sur ces arbres des variations de contraintes thermiques importantes. C'est le cas notamment pour les pompes primaires de centrale nucléaire qui véhiculent l'eau chaude à haute température. Dans leur partie haute, ces pompes primaires comportent un l0 échangeur de chaleur appelé barrière thermique, qui refroidit l'eau alimentant un palier hydrodynamique et les joints tournants d'étanchéité avec l'arbre longitudi- nal. Il existe donc une zone de transition entre l'eau chaude et l'eau froide située au bas de la barrière thermique. La partie de l'arbre située dans cette zone de transition est par i5 conséquent soumise à un important gradient thermique qui favorise des instabili- tés thermiques pouvant créer des fissures dans l'arbre. Afin de réduire ce risque de fissuration, un écran thermique est disposé sur l'arbre dans la zone o le gradient thermique est le plus important. Jusqu'à présent, cet écran thermique est formé par une bague en acier inoxydable entourant l'arbre dans ladite zone. Cette solution ne suffit pas pour se prémunir totalement du risque de fissuration, car après quelques années de fonctionnement, des fissures peuvent apparaître en divers endroits dans l'ar- bre au-dessous de cette bague. L'invention a pour but de proposer un écran de protection thermi- 2 5 que qui permet d'améliorer l'efficacité de la protection et de ce fait de diminuer les risques de fissuration dans l'arbre. L'invention a donc pour objet un écran de protection thermique pour un arbre tournant, notamment pour un arbre de pompe primaire de centrale nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, un fourreau solidaire de I'arbre et comportant un logement interne et, d'autre part, une bague métallique multicouche en contact avec l'arbre et disposée dans ledit logement interne. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le logement interne du fourreau est ouvert à une extrémité pour le montage de la bague métallique et est obturé à l'autre extrémité par un épau- lement fretté sur l'arbre, - l'extrémité ouverte du logement interne du fourreau est obturée par un rebord en saillie ménagé à une extrémité de la bague métallique, l'extré- mité du fourreau étant frettée sur ledit rebord, - l'extrémité ouverte du logement interne du fourreau est obturée par un anneau fretté sur l'arbre et sur lequel est frettée l'extrémité du fourreau, - I'écran comporte un pion transversal de liaison du fourreau avec 0 lI'arbre, - le pion est monté dans un orifice ménagé dans l'arbre et tra- verse l'épaulement du fourreau, l'extrémité libre dudit pion étant soudé sur ledit fourreau, - le pion est monté dans un orifice ménagé dans l'arbre et tra- i verse l'anneau et le fourreau, I'extrémité libre dudit pion étant soudée sur ledit fourreau, - le fourreau est réalisé en acier inoxydable, - la bague métallique multicouche est formée par une bague in- terne en acier inoxydable sur la face externe de laquelle est appliquée une su- perposition de plusieurs couches d'oxyde de zirconium alternées avec des cou- ches d'alliage de nickel-chrome, la dernière couche étant une couche d'alliage de nickel-chrome, -les couches d'oxyde de zirconium et d'alliage de nickel-chrome sont placées dans un lamage cylindrique ménagé sur la face externe de la bague interne, ladite cuvette étant bordée à chacune de ses extrémités par un rebord en saillie, - les bords du lamage sont inclinés d'un angle compris entre 30 et 60 . Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en réfé- rence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une partie d'une pompe primaire équipée d'un écran de protection thermique conforme à l'invention, - la Fig. 2 est une vue schématique en coupe axiale et à plus grande échelle d'un premier mode de réalisation de l'écran de protection thermi- que conforme à l'invention, - la Fig. 3 est une vue schématique en coupe axiale et à plus grande échelle d'un second mode de réalisation de l'écran de protection thermi- que conforme à l'invention, - la Fig. 4 est une vue schématique en coupe axiale de la bague métallique multicouche de l'écran de protection thermique conforme à l'invention, - la Fig. 5 est une vue partielle et à plus grande échelle de la ba- gue multicouche. Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement une partie d'une :]5 pompe primaire d'une centrale nucléaire et qui est destinée à véhiculer de l'eau chaude à une température de l'ordre de 300 C. De manière classique, cette pompe comporte une partie infé- rieure A dite chaude dans laquelle circule l'eau chaude à la température d'environ 300 C et une partie supérieure B dite froide dans laquelle circule l'eau froide à environ 40 C. Les zones A et B sont traversées par un arbre 1 et la partie infé- rieure comporte, de manière classique, une roue 2 et une volute de pompe 3. La partie supérieure B comporte un carter 4, un palier hydrody- namique 5 et des joints tournants d'étanchéité 6. Le carter 4 est fixé sur la volute 3 au moyen d'éléments de liaison 7 démontables, comme par exemple des goujons. Entre la partie inférieure A et la partie supérieure B, la pompe comporte un échangeur de chaleur 8 appelé barrière thermique, qui refroidit l'eau alimentant le palier hydrodynamique 5 et les joints tournants d'étanchéité 6. Entre la partie inférieure A dite chaude et la partie supérieure B dite froide, il existe une zone de transition C entre l'eau chaude et l'eau froide au bas de l'échangeur de chaleur 8 et dans laquelle la zone de l'arbre est soumise à un important gradient thermique de l'ordre de 260 C. Dans cette zone de transition C,- l'arbre 1 est équipé d'un écran de protection thermique désigné dans son ensemble par la référence 10. Ainsi que représenté sur les Figs. 2 et 3, I'écran 10 de protection thermique comprend, d'une part, un fourreau 11 solidaire de l'arbre 1 et compor- tant un logement interne 12 et, d'autre part, une bague métallique multicouche 21 en contact avec l'arbre 20 et disposée dans ledit logement interne 12 du four- reau 1 1. Le fourreau 11 est en appui contre un épaulement la ménagé sur l'arbre 1. Selon un premier mode de réalisation représenté à la Fig. 2, le logement interne 12 du fourreau 11 est ouvert à une extrémité 1 la pour le mon- tage de la bague métallique 21, comme on le verra ultérieurement, et est obturé à lI'autre extrémité 11b par un épaulement 13 venu de matière avec ledit fourreau 1. L'épaulement 13 du fourreau 11 est fixé sur l'arbre 1 par frettage. Par ailleurs, I'extrémité ouverte l a du logement 12 du fourreau 1 est obturée par un rebord en saillie 21 a ménagé à une extrémité de la bague métallique 21 L'extrémité du fourreau 11 en contact avec le rebord en saillie 21a 2 0 de la bague métallique 21 est frettée sur ce rebord en saillie 21 a. De plus, la bague métallique 21 déborde de l'extrémité ouverte 11 a du fourreau 11 de façon à former une surface d'appui pour la roue 2 de la pompe, comme représenté à la Fig. 2. Un pion transversal 25 complète la liaison du fourreau 11 avec I'arbre 1. Ce pion 25 est monté dans un orifice 9 ménagé dans l'arbre 1 et tra- verse l'épaulement 13 du fourreau 11. L'extrémité libre du pion 25 est soudée sur le fourreau 11. Selon un second mode de réalisation représenté à la Fig. 3, le logement interne 12 du fourreau 1 1 est ouverte à son extrémité 1 1 b pour le mon- tage de la bague métallique 21 et est obturé à son autre extrémité 11a par un épaulement 14. L'épaulement 15 forme une surface d'appui pour la bague métal- lique 21 et est fretté sur l'arbre 1. L'extrémité ouverte llb du logement interne 12 du fourreau 11 est, dans ce mode de réalisation, obturé par un anneau 14 fretté sur l'arbre 1 et sur lequel est frettée l'extrémité du fourreau 11. La solidarisation entre le fourreau 11 et l'arbre 1 est complétée par un pion 25 monté dans un orifice 9 ménagé dans l'arbre 1. Ce pion 25 tra- verse l'anneau 14 et le fourreau 11 et l'extrémité libre de ce pion 25 est soudée sur le fourreau 11. i0 Comme représenté à la Fig. 3, le fourreau 11 et l'anneau 14 sont en appui sur l'épaulement 1 a ménagé sur l'arbre 1. De préférence, le fourreau 11 est en acier inoxydable. En se reportant maintenant aux Figs. 4 et 5, on va décrire la ba- gue métallique multicouche 21. Cette bague métallique multicouche 21 est formée par une bague interne 23 en acier inoxydable comportant, d'une part, un alésage interne 23 dont le diamètre correspond sensiblement au diamètre de la zone C de l'arbre 1 et, d'autre part, sur sa face externe, un lamage 24 cylindrique et concentrique audit alésage 23. Les bords internes de chaque rebord en saillie, respectivement 21 a et 21 b du lamage 24 sont inclinés d'un angle compris entre 30 et 60 . La bague métallique multicouche 21 comporte également sur la face externe de la bague interne 22, c'est à dire dans le lamage circulaire 24, une superposition de plusieurs couches d'oxyde de zirconium 30 alternées avec les couches d'alliage de nickel-chrome 31. De préférence, la première couche appliquée sur la face externe de la bague interne 22 est constituée par une couche 30 d'oxyde de zirconium et la dernière couche est constituée par une couche d'alliage de nickelchrome 31 dont l'épaisseur est supérieure à l'épaisseur des autres couches d'alliage de nic- kel-chrome 31. A titre d'exemple, I'ensemble est constitué par six couches d'oxyde de zirconium ayant chacune une épaisseur de 0,5mm et par six couches d'alliage de nickel-chrome ayant chacune une épaisseur de O,25mm, à l'excep- tion de la dernière qui a une épaisseur de 0,5mm pour permettre un usinage de cet ensemble et ainsi obtenir un diamètre extérieur correspondant aux critères de montage. Les différentes couches 30 et 31 sont réalisées par revêtement par projection. Par ailleurs, le profil incliné des bords du lamage circulaire 24 permet d'obtenir dans cette zone le recouvrement parfait des différentes couches et 31. :0 Dans le cas du premier mode de réalisation représenté à la Fig. 2, le montage de l'écran de protection thermique 10 sur l'arbre 1 est réalisé de la façon suivante. Tout d'abord, le fourreau 11 est emmanché sur l'arbre 1 et l'épau- lement 1 a de cet arbre 1 assure la butée axiale dudit fourreau 11. Ensuite, l'épau- lement 13 du fourreau 11 est fretté sur l'arbre 1 dans sa position axiale. La bague métallique multicouche 21 est emmanchée sur l'arbre 1 et placée dans le logement 12 du fourreau 11 de telle manière qu'il subsiste un jeu entre le rebord 21b et l'épaulement 13 et que le rebord 21a déborde de l'ex- trémité du fourreau 11, ainsi que représenté à la Fig. 2. L'extrémité du fourreau 11 en contact avec le rebord 21a de la bague métallique multicouche 21 est frettée sur ce rebord 21a et le pion 25 est mis en place et est soudé sur le fourreau 11. Le diamètre extérieur du fourreau 11 est usiné pour le mettre à la cote souhaitée et la roue 2 est montée sur l'arbre 1. Dans le cas du second mode de réalisation représenté à la Fig. 3, le montage de l'écran de protection thermique 10 est réalisé de la façon sui- vante. Tout d'abord, I'anneau 14 est emmanché sur l'arbre I de telle manière qu'il soit en butée sur l'épaulement la de cet arbre 1. Cet anneau 14 est 3 o fretté sur l'arbre 1 dans sa position axiale. La bague métallique multicouche 21 est ensuite introduite sur l'arbre 1 et est placée en butée sur l'anneau 14. Le fourreau 11 est mis en place et assure le recouvrement à la fois de l'anneau 14 et de la bague métallique mul- ticouche 21. L'épaulement 14 du fourreau 11 vient en butée sur le rebord 21a de la bague métallique multicouche 21 et cet épaulement 14 est fretté sur I 'arbre 1. De plus, I'extrémité du fourreau 11 en contact avec l'anneau 14 est également frettée sur cet anneau. Le pion 25 est alors mis en place et son extrémité libre est sou- dée sur le fourreau 11. Le diamètre extérieur du fourreau 11 est usiné à la cote désirée et la roue 2 est mise en position sur l'arbre 1. L'alternance des couches d'oxyde de zirconium et d'alliage de nickelchrome de la bague métallique 21 permet de garder une certaine ductilité à l'ensemble de la bague. L'écran de protection thermique selon l'invention présente l'avan- tage par rapport à la solution utilisée jusqu'à présent, d'obtenir une protection thermique plus efficace de l'arbre grâce à la résistance thermique plus importante de la bague métallique multicouche, tout en conservant un encombrement identi- que. Dans ces conditions, les gradients thermiques dans l'arbre sont atténués et se font de manière plus progressive si bien que les risques de fissuration de l'arbre notamment dans le cas d'un arbre de pompe primaire, sont de ce fait diminués. REVENDICATIONS 1. Ecran de protection thermique pour un arbre tournant (1), no- tamment pour un arbre de pompe primaire de centrale nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, un fourreau (11) solidaire de l'arbre (1) et compor- tant un logement interne (12) et, d'autre part, une bague métallique multicouche (21) en contact avec l'arbre (1) et disposée dans ledit logement interne (12). 2. Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce que le loge- ment interne (12) du fourreau (11) est ouvert à une extrémité pour le montage de la bague métallique (21) et est obturé à l'autre extrémité par un épaulement (13; 14) fretté sur l'arbre (1). 3. Ecran selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémi- té ouverte du logement interne (12) du fourreau (11) est obturée par un rebord en saillie (21a) ménagé à une extrémité de la bague métallique (21) , I'extrémité (11 a) du fourreau (11) étant frettée sur ledit rebord (21 a). 4. Ecran selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémi- té ouverte du logement interne du fourreau (11) est obturée par un anneau (14) fretté sur l'arbre (1) et sur lequel est frettée l'extrémité (11 b) du fourreau (11). 5. Ecran selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il com- porte un pion transversal (25) de liaison du fourreau (11) avec l'arbre (1). 6. Ecran selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que le pion (25) est monté dans un orifice (2) ménagé dans l'arbre (1) et traverse l'épau- lement (13) du fourreau (11), I'extrémité libre dudit pion (25) étant soudée sur ledit fourreau (11). 7. Ecran selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le pion (25) est monté dans un orifice (2) ménagé dans l'arbre (1) et traverse l'an- neau (14) et le fourreau (11), I'extrémité libre dudit pion (25) étant soudée sur ledit fourreau (11). 8. Ecran selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fourreau (11) est réalisé en acier inoxydable. 3 0 9. Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague métallique multicouche (21) est formée par une bague interne (22) en acier inoxydable sur la face externe de laquelle est appliquée une superposition de plusieurs couches (30) d'oxyde de zirconium alternées avec des couches (31) d'alliage de nickel-chrome, la dernière couche étant une couche (31) d'alliage de nickel-chrome. 10. Ecran selon la revendication 9, caractérisé en ce que les couches (30 31) d'oxyde de zirconium et d'alliage de nickel-chrome sont pla- cées dans un lamage cylindrique (24) ménagé sur la face externe de la bague interne (22), ledit lamage (24) étant bordée à chacune de ses extrémités par un rebord en saillie (21a, 21b). 11. Ecran selon la revendication 9, caractérisé en ce que les lo bords du lamage (24) sont inclinés d'un angle compris entre 30 et 60 .