Brevet FR2847623A1 — publié le 20040528

I SYSTEME DE BOULONNAGE VISANT A LIMITER LA FLEXION DES BOULONS La présente invention est relative à des systèmes de boulonnage dans lesquels deux brides sont fixées l'une à l'autre par boutonnage. Plus particulièrement, la présente invention est relative à des systèmes de boutonnage dans lesquels la flexion des boulons résultant de mouvements des brides l'une par rapport à l'autre est limitée. Les brides sont généralement fixées l'une à l'autre en insérant des boulons dans des trous de boulon ménagés dans chacune des brides et qui sont alignés l'un avec l'autre. Généralement, ces brides boulonnées restent dans leur position boulonnée, car on utilise habituellement un certain nombre de boulons d'assemblage pour tenir solidement l'une avec l'autre les brides boulonnées. Cependant, le fait d'exercer de fortes charges radiales, tangentielles ou axiales sur l'une des pièces ou les deux pièces auxquelles sont fixées les brides respectives peut imposer aux boulons d'assemblage des moments de flexion ou des forces de traction susceptibles de provoquer une déformation ou une rupture des boulons. Par exemple, des efforts inhabituels et parfois grands peuvent être appliqués à des brides boulonnées dans des turbomachines, o des paires de capots d'extrémités à brides sont couramment assemblées par boutonnage. Dans des turbines à gaz d'avion comportant des soufflantes axiales ou des compresseurs axiaux, des ruptures d'aubes de rotors, pouvant être provoquées par un endommagement d'aubes de soufflante ou de compresseur dues à des corps étrangers entraînés à l'intérieur de la soufflante ou du compresseur, risquent de provoquer des états de déséquilibre des rotors. De tels états de déséquilibre de rotors peuvent imposer des efforts radiaux, circonférentiels, voire axiaux pouvant modifier les positions des brides de manière radiale les unes par rapport aux autres, de manière circonférentielle les unes par rapport aux autres ou de manière axiale les unes par rapport aux autres. Dans tous les cas, de grands efforts inattendus de cisaillement, de flexion ou de traction, ou une combinaison de tels efforts, peuvent s'exercer sur les boulons d'assemblage des brides, conduisant à une déformation des boulons et éventuellement à une rupture des boulons et une séparation des capots boulonnés les uns des autres. La séparation de capots au niveau des brides boulonnées constitue un état non souhaitable et la présente invention vise à éviter les ruptures de boulons de brides en limitant les contraintes de flexion et les contraintes axiales imposées aux boulons d'assemblage de brides lorsque les brides subissent un mouvement les unes par rapport aux autres par suite d'efforts extérieurs appliqués aux pièces avec lesquelles sont accouplées les brides. En bref, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un système de boulonnage dans lequel des rondelles en deux parties sont prévues pour permettre un mouvement de pivotement des boulons d'assemblage au niveau d'un assemblage boulonné. Les rondelles comportent un premier élément annulaire de rondelle ayant des grandes faces annulaires orientées dans des directions opposées et ayant un axe central de premier élément de rondelle. Une grande face annulaire du premier élément de rondelle est formée par une surface convexe. Un second élément annulaire de rondelle ayant des grandes surfaces annulaires orientées dans des directions opposées et ayant un axe central de second élément de rondelle est également prévu. Une grande face annulaire du second élément de rondelle est formée par une surface concave. La surface convexe et la surface concave sont au contact l'une de l'autre et sont mobiles l'une par rapport à l'autre de façon que leurs axes respectifs puissent prendre des positions non coaxiales. L'invention et nombre des avantages qui s'y attachent apparaîtront facilement plus clairement en référence à la description détaillée ciaprès, faite en considération des dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue partielle en coupe transversale d'un assemblage boulonné de brides connu selon la technique antérieure; la Fig. 2 est une vue partielle en coupe transversale d'un assemblage boulonné de brides utilisant une forme de réalisation de l'invention; et la Fig. 3 est une vue partielle en coupe transversale de l'assemblage boulonné de bride de la Fig. 2 illustrant le fonctionnement d'une forme de réalisation de la présente invention servant à limiter la flexion des boulons d'assemblage par suite d'un déplacement radial des brides l'une par rapport à l'autre. Considérant maintenant les dessins, et en particulier la Fig. 1 de ceuxci, il y est représenté un assemblage boulonné selon la technique antérieure au niveau d'un joint 10 de brides o deux éléments formant capots sont assemblés. Un premier capot annulaire comporte une paroi 12 de capot qui aboutit à une bride radiale 14 s'étendant vers l'extérieur. Une pluralité d'alésages traversants 16 (dont un seul est représenté sur la Fig. 1) sont ménagés dans la bride 14 pour recevoir la tige 18 d'un boulon d'assemblage 20, lequel comporte une tête 22 de boulon ayant une face d'appui annulaire 24 étroitement au contact de la surface extérieure 26 de la bride 14 lorsque le boulon 20 est serré. De même, un second capot annulaire comporte une paroi 28 de capot qui aboutit à une bride radiale 30 s'étendant vers l'extérieur qui possède une pluralité d'alésages traversants 32 (dont un seul est représenté sur la Fig. 1) destinés à recevoir la tige 18 du boulon 20. L'extrémité du boulon 20 opposée à la tête 22 du boulon reçoit un écrou d'accouplement 34 et une entretoise annulaire 36 de façon que, lorsque le boulon 20 et l'écrou 34 sont serrés, la surface d'extrémité annulaire 38 de l'entretoise 36 soit au contact de la surface extérieure 40 de la bride 30, de telle manière que les brides 14 et 30 soient étroitement serrées au contact l'une de l'autre. Comme représenté sur la Fig. 1, le trou de boulon constitué par les alésages traversants alignés 16, 32 a un diamètre un peu plus grand que celui de la tige 18 de boulon. Par conséquent, un léger manque d'alignement radial ou circonférentiel entre les brides 14 et 30 peut survenir sans imposer un effort de flexion ou de cisaillement au boulon 20. Cependant, tout défaut d'alignement supérieur à l'intervalle entre le boulon et les alésages traversants dans leur position correctement alignée représentée sur la Fig. 1 impose au boulon des efforts de flexion ou de cisaillement, ou les deux. De telles charges sollicitant le boulon, si elles sont suffisamment fortes, peuvent entraîner une rupture du boulon, ce qui risque de permettre une séparation des capots au niveau du joint des brides. Considérant maintenant la Fig. 2, sur laquelle les mêmes repères désignent des parties ayant la même configuration que celles représentées sur la Fig. 1, il y est représenté une forme de réalisation de la présente invention. Comme représenté, on y trouve un système de boulon qui permet un défaut considérable d'alignement radial ou circonférentiel des brides 14, 30, et cela sans imposer de fortes contraintes de cisaillement ou de flexion au boulon 20. Dans la forme de réalisation représentée, les alésages traversants 16, 32 des brides ont un plus grand diamètre que les alésages traversants correspondants de l'assemblage de brides selon la technique antérieure représenté sur la Fig. 1. A cet égard, un intervalle annulaire entre les alésages traversants 16, 32 et la tige 18 de boulon peut avantageusement être prévu pour permettre au boulon 20 de s'incliner par rapport aux axes des alésages traversants 16, 32. L'intervalle peut avoir des dimensions permettant à l'axe du boulon 20 de s'incliner par rapport aux axes des alésages traversants 16, 32 suivant un angle pouvant atteindre environ 150, de préférence entre environ 50 et environ 15 . Selon la configuration particulière de l'assemblage à brides et la position de la bride dans l'application particulière dans laquelle est utilisé l'assemblage à brides, l'angle d'inclinaison maximal pourrait être agrandi. L'inclinaison du boulon 20 peut être permise sans imposer une contrainte de flexion au boulon en disposant à chaque extrémité de l'assemblage boulonné une rondelle en deux parties située au contact d'une surface extérieure respective d'une bride et qui absorbe l'inclinaison du boulon par rapport aux axes des alésages traversants. La rondelle en deux parties comprend un premier élément annulaire 42 de rondelle qui a une face annulaire plane 44 à une extrémité annulaire et une face annulaire convexe 46 à l'extrémité annulaire opposée. De plus, le diamètre de l'ouverture intérieure 48 du premier élément 42 de rondelle peut être sensiblement égal au diamètre de la tige 18 du boulon. Un second élément annulaire 50 de rondelle a également une face annulaire plane 52 à une première extrémité annulaire, et une face annulaire concave 54 à l'extrémité annulaire opposée. De plus, le diamètre de l'ouverture intérieure 56 du second élément 50 de rondelle peut être sensiblement plus grand que le diamètre de la tige 18 du boulon pour absorber l'inclinaison du boulon en cas de conditions de fortes sollicitations et pour éviter de ce fait que le boulon ne vienne au contact de l'ouverture intérieure 56. La courbure de la face annulaire convexe 46 du premier élément 42 de rondelle peut être sensiblement la même que la courbure de la face annulaire concave 54 du second élément 50 de rondelle. Les courbures sont choisies pour permettre l'existence d'un mouvement de coulissement relatif entre les faces courbes des premier et second éléments 42, 50 de rondelle lorsque les faces courbes sont placées au contact l'une de l'autre, comme représenté sur la Fig. 2. La courbure des faces courbes des premier et second éléments de rondelle peut être sphérique et de même rayon dans les deux cas, les centres de courbure de chacune des faces courbes se situant sur l'axe longitudinal de l'élément respectif de rondelle. Selon une autre possibilité, les courbures des faces courbes peuvent être différentes l'une de l'autre si on souhaite limiter la surface de contact entre les surfaces courbes lorsque les surfaces courbes des éléments de la rondelle sont placées au contact l'une de l'autre. Sur la Fig. 2 est également représentée une entretoise tubulaire 58 qui peut être placée entre la rondelle au voisinage immédiat d'une surface de bride et de la tête 22 de boulon, bien qu'elle puisse également être placée, si cela est souhaitable, au voisinage immédiat de l'écrou d'accouplement. L'entretoise tubulaire 58 peut être en matière métallique et peut avoir des dimensions telles que sa résistance à la compression soit inférieure à celle du boulon 20. La résistance de l'entretoise à l'écrasement peut avantageusement être de l'ordre d'environ 60% à environ 80% de la résistance du boulon à la traction. L'entretoise 58 est conçue pour s'écraser lorsque le boulon 20 est soumis à un effort de traction axial excessif, pour ainsi éviter des contraintes axiales excessives sur la tige du boulon et pour empêcher une rupture sous traction du boulon. Ainsi, le système proposé maintient une liaison entre les capots adjacents lorsque le joint à bride est soumis à de grandes forces de séparation axiales, pour éviter une séparation complète des capots l'un de l'autre. L'entretoise tubulaire 58 peut avoir un rapport longueur/diamètre, c'est-à-dire le rapport de la longueur de l'entretoise au diamètre extérieur de la partie entre les extrémités de l'entretoise, et une épaisseur de paroi suffisants pour permettre une déformation axiale dans une mesure prédéterminée. Des rapports longueur/diamètre typiques peuvent être compris entre environ 1,5 et environ 3,0. La Fig. 3 représente l'assemblage boulonné de la Fig. 2 après un déplacement radial des brides 14 et 30 l'une par rapport à l'autre, pouvant résulter d'un état de sollicitation particulier auquel sont soumis les capots. Comme représenté, l'axe longitudinal de la tige 18 du boulon est inclinée par rapport aux axes des alésages traversants 16 et 32. Cependant, comme les rondelles en deux parties à chaque extrémité de l'assemblage boulonné permettent un pivotement des éléments des rondelles l'un par rapport à l'autre, de telle manière que leurs axes respectifs sont inclinés l'un par rapport à l'autre, le boulon 20 ne subit sensiblement pas les contraintes de flexion qui existeraient autrement si on utilisait des rondelles plates classiques dans l'assemblage boulonné. Ainsi qu'il apparaît d'après la Fig. 3, chacun des premiers éléments 42 de rondelles s'est incliné avec la tige 18 du boulon, alors que chacun des seconds éléments 50 de rondelles est resté fixe par rapport aux surfaces extérieures 26 et 40 de brides au contact desquelles il se trouve. Par ailleurs, si les forces axiales tendant à séparer axialement les brides deviennent suffisamment grandes, l'entretoise déformable 58 absorbe la force axiale pour réduire la contrainte de traction à laquelle est soumis le boulon 20. La description ci-dessus de l'invention est présentée dans le contexte du boulonnage de deux brides l'une avec l'autre. Cependant, la technique de boulonnage présentée et les rondelles en deux parties présentées peuvent également être utilisées pour boulonner les uns avec les autres d'autres pièces que des brides. De plus, les brides ne sont pas forcément des brides annulaires - il peut aussi s'agir de brides linéaires. Par ailleurs, le mouvement des pièces respectives les unes par rapport aux autres illustré sur la Fig. 3 et les effets des rondelles en deux parties décrites se vérifient également lorsque les brides se décalent les unes par rapport aux autres dans la direction circonférentielle. 13DV14216 Système de boulonnage pour limiter la flexion d'un boulon Nomenclature 10 assemblage à brides 12 paroi du premier capot 14 bride 16 alésage traversant 1 8 tige de boulon 20 boulon 22 tête de boulon 24 face annulaire d'appui 26 surface extérieure 28 paroi du second capot 30 bride 32 alésage traversant 34 écrou d'accouplement 36 entretoise 38 surface d'extrémité d'entretoise 40 surface extérieure 42 premier élément de rondelle 44 face plane 46 face convexe 48 ouverture intérieure 50 second élément de rondelle 52 face annulaire plane 54 face annulaire concave 56 ouverture intérieure 58 entretoise tubulaire REVENDICATIONS 1. Rondelle en deux parties, caractérisée en ce qu'elle comprend: a. un premier élément annulaire (42) de rondelle ayant des grandes faces annulaires (44, 46) orientées dans des directions opposées et ayant un axe central de premier élément de rondelle, une grande face annulaire (46) du premier élément de rondelle étant constituée par une surface convexe; b. un second élément annulaire (50) de rondelle ayant des grandes faces annulaires (52, 54) orientées dans des directions opposées et ayant un axe central de second élément de rondelle, une grande face annulaire (54) du second élément de rondelle étant constituée par une surface concave; et c. la surface convexe (46) et la surface concave (54) étant en contact surface contre surface et étant mobiles l'une par rapport à l'autre de façon que leurs axes respectifs puissent prendre des positions non coaxiales. 2. Rondelle en deux parties selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des surfaces convexe et concave (46, 54) est définie par une courbure sphérique. 3. Rondelle en deux parties selon la revendication 2, caractérisée en ce que chacune des surfaces convexe et concave (46, 54) a sensiblement le même rayon de courbure. 4. Rondelle en deux parties selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque élément (42, 50) de rondelle a une ouverture centrale (48, 56) destinée à permettre le passage d'un élément d'accouplement (20) à travers celle-ci. 5. Rondelle en deux parties selon la revendication 4, caractérisée en ce que les ouvertures centrales (48, 56) des éléments respectifs (42, 50) de rondelles sont de dimensions inégales. 6. Rondelle en deux parties selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'un des premier élément (42) de rondelle et second élément (50) de rondelle a une ouverture centrale (48, 56) qui correspond sensiblement à un diamètre extérieur d'un élément d'accouplement (20) qui passe à travers chacun des éléments de rondelle. 7. Rondelle en deux parties selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'autre des premier élément (42) de rondelle et second élément (50) de rondelle a une ouverture centrale (48, 56) plus grande que le diamètre extérieur de l'élément d'accouplement (20) pour permettre un pivotement de l'élément d'accouplement (20) par rapport à l'ouverture centrale plus grande. 8. Assemblage boulonné, caractérisé en ce qu'il comprend: a. un boulon d'accouplement (20) comportant une tête (22) de boulon, une tige (18) de boulon et une extrémité filetée destinée à recevoir un écrou d'accouplement pour accoupler l'une avec l'autre deux pièces; b. au moins une rondelle en deux parties comportant un premier élément annulaire (42) de rondelle ayant des grandes faces annulaires (44, 46) orientées dans des directions opposées et ayant un axe central de premier élément de rondelle, une grande face annulaire (46) du premier élément de rondelle étant constituée par une surface convexe, un second élément annulaire (50) de rondelle ayant des grandes faces annulaires (52, 54) orientées dans des directions opposées et ayant un axe central de second élément de rondelle, une grande face annulaire (54) du second élément de rondelle étant constituée par une surface concave, et la surface convexe (46) et la surface concave (54) étant en contact surface contre surface l'une avec l'autre et étant mobiles l'une par rapport à l'autre de façon que leurs axes respectifs puissent prendre des positions non coaxiales. 9. Assemblage boulonné selon la revendication 8, comprenant une entretoise déformable (58) placée entre une rondelle en deux parties (42, 50) et soit une tête (22) de boulon soit un écrou d'accouplement, pour absorber les forces de traction axiales appliquées au boulon d'accouplement (20).