Brevet FR2873161A1 — publié le 20060120

La présente invention porte sur un ensemble comprenant un arbre ou une portion d'arbre monté rotatif autour de son axe et d'un palier à roulement par lequel il est supporté. La présente invention s'applique en particulier au montage d'un palier pour arbre de turbine dans un moteur à turbine à gaz. On a représenté sur la figure 1, une vue partielle d'un moteur à turbine à gaz 1. Le rotor 2 de turbine Haute pression est situé immédiatement en aval de la chambre de combustion 3 et est mis en rotation par l'action des gaz qui en sont issus sur les aubes 4 montées sur le disque 5 du rotor 2. Le disque 5 de turbine est solidaire d'un tourillon 6, disposé en aval par rapport au sens de l'écoulement des gaz. En bout du tourillon 6 est monté un palier par lequel l'ensemble tournant est supporté. On n'a représenté ici que la bague 8 interne du palier. Le rotor 2 est solidaire à l'amont d'un tambour 7 relié au compresseur haute pression, non représenté, lui même supporté en rotation par un palier amont. Cet ensemble tournant formant le corps haute pression du moteur est supporté par l'intermédiaire de ces deux paliers soit par la structure fixe du moteur dans le cas d'un moteur à simple corps ou bien par un autre ensemble tournant dans le cas d'un moteur à double ou triple corps pour des étages basse pression ou de pression intermédiaire indépendants. Dans les moteurs actuels, la bague interne est rendue solidaire de l'arbre ou tourillon par frettage. Par cette opération la bague est montée avec serrage sur l'arbre ou tourillon. L'accouplement peut ainsi aussi bien résister aux couples de rotation auxquels la bague est soumise pendant le fonctionnement du moteur qu'aux efforts axiaux. Un écrou 9 aval, vissé sur le tourillon et bloqué en rotation, verrouille la bague 8 en position et garantit la cohésion de l'ensemble en cas de survenue d'une perte de serrage de celle-ci sur le tourillon faisant suite, par exemple, à une usure des surfaces en contact ou bien à un échauffement excessif des composants. Pour couvrir tous les cas de panne et éviter un incident on est amené à sur-dimensionner l'écrou pour pouvoir imprimer un couple de serrage élevé sur l'ensemble. Cette solution présente donc l'inconvénient d'une mise en charge mécanique importante des pièces. La taille de l'écrou notamment est en rapport avec la charge demandée. Il s'ensuit la nécessité de concevoir et de mettre en oeuvre un outillage lourd et complexe avec des moyens démultiplicateurs de forces. Par ailleurs, il serait souhaitable pour certaines applications, en particulier dans le cas de nouveaux moteurs plus compacts, de réduire l'encombrement axial de l'arbre supportant la turbine, avec son palier. La position du palier étant elle-même parfaitement définie dans son environnement par rapport aux autres composants du moteur tels que la structure fixe, seule la partie comportant l'écrou serait susceptible d'être modifiée. Cependant compte tenu des contraintes 2873161 2 rappelées ci-dessus, il n'est pas possible de réduire la taille de l'écrou sans réduire la résistance mécanique du montage. Pour résoudre ce problème, il a été proposé dans un premier temps d'éliminer l'écrou et de souder directement la bague à l'arbre. Cette solution, cependant, ne conviendrait pas, au moins pour certains moteurs, en raison des différents matériaux constituant ces deux composants, des problèmes de corrosion qui en découleraient, et de la complexité des opérations lorsque ultérieurement il serait nécessaire d'intervenir sur la pièce. Le déposant s'est donc fixé comme premier objectif un mode d'assemblage d'une bague de palier à roulement, à l'arbre sur lequel il est monté permettant de surmonter ces inconvénients en offrant les mêmes caractéristiques mécaniques que celles proposées par un écrou. Le déposant s'est également fixé comme autre objectif la réalisation d'un mode d'assemblage d'une bague de palier à roulement sur un arbre, qui soit à la fois aisé à monter et à démonter. L'invention résout ce problème avec un ensemble d'un arbre rotatif et d'un palier à roulement, le palier comportant une bague solidaire de l'arbre et formant piste de roulement pour les organes de roulement du palier, caractérisé par le fait que la bague est immobilisée en rotation sur l'arbre par un accouplement de type à crabot, et axialement par un moyen de retenue axial. Le terme arbre désigne un arbre, une portion d'arbre, un tourillon ou plus généralement toute pièce sur laquelle un palier à roulement est monté. Alors que, dans le cas d'un montage de palier en bout de tourillon du côté de son extrémité libre, l'écrou, en raison des contraintes de montage, doit être placé en butée contre la bague sur son bord près de l'extrémité libre du tourillon, on peut ménager un accouplement à crabot sur le côté opposé par rapport à l'extrémité libre. La portion correspondante de tourillon peut ainsi être raccourcie. En outre, de manière avantageuse, on peut associer le moyen de retenue axiale à l'accouplement à crabot. Conformément à un mode de réalisation préférentiel, l'accouplement à crabot est constitué par au moins deux dents solidaires de l'arbre coopérant avec un tenon ménagé sur un bord de la bague, le tenon étant logé entre lesdites dents. Avantageusement, l'accouplement est constitué d'une pluralité de dents, respectivement de tenons, espacés les uns des autres le long de la circonférence de l'arbre. Le nombre de dents et de tenons associés, ainsi que la dimension de ceux-ci, sont déterminés par les charges circonférentielles que l'accouplement est appelé à supporter pendant le fonctionnement du moteur. Pour éviter les 2873161 3 balourds, on dispose avantageusement les éléments symétriquement autour de l'axe de l'arbre. On comprend que la solution s'applique aussi bien au montage d'une bague 5 interne de palier sur la surface extérieure de celui-ci, qu'au montage d'une bague externe de palier sur un arbre à l'intérieur de celui-ci lorsqu'il est creux. Le palier à roulement peut être quelconque, à billes, rouleaux ou autre. De manière simplifiée, un palier comprend au moins deux bagues concentriques: une bague interne et une bague externe, entre lesquelles sont disposés une pluralité d'organes de roulement, rouleaux par exemple, maintenus écartés les uns des autres par une cage. Les bagues définissent chacune une piste de roulement pour les organes de roulement. Conformément à une autre caractéristique, le moyen de retenue axiale est constitué par un jonc rapporté transversalement par rapport à l'axe de l'arbre. En particulier, le jonc est en forme de portion d'anneau et est réalisé dans un matériau élastique. Il prend une première forme en extension radiale et où il constitue ladite retenue axiale entre l'arbre et la bague, et une forme rétractée radialement où il permet le déplacement axial de la bague par rapport à l'arbre. Selon le mode de réalisation préféré, en position de retenue, le jonc est disposé de manière à être en contact à la fois avec une dent et au moins un tenon. Conformément à une autre caractéristique, l'arbre comprend une portion 25 cylindrique formant butée radiale externe de l'extrémité libre du ou des tenons. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, accompagnée des dessins en annexe sur lesquels: La figure 1 représente, en coupe axiale, une partie d'un moteur à turbine à gaz montrant un rotor de turbine et le tourillon avec une bague de palier montée conformément à l'art antérieur, La figure 2 montre, en coupe axiale, un tourillon avec une bague interne de palier à roulement montée conformément à l'invention, La figure 3 montre, en perspective, une vue partielle de la bague interne de la figure 2 détaillant les tenons, La figure 4 montre, en perspective, le tourillon de la figure 2 avec les dents de l'accouplement à crabot, La figure 5 montre la mise en place d'un jonc annulaire sur le tourillon de 40 la figure 4, La figure 6 montre, en perspective, la bague montée sur le tourillon de la figure 2, La figure 7 montre un détail agrandi de la figure 6. 2873161 4 On voit, sur la figure 2, un tourillon 16 ou un arbre de turbine lié au rotor de turbine non représenté, conformément à l'invention. La figure 6 montre partiellement une représentation de la disposition de la figure 2 vue en perspective. Le tourillon comprend une bride avec des perçages 161 par lesquels on vient boulonner en 161 le rotor de turbine. On distingue une portion cylindrique 163, de même axe de rotation que l'arbre, pourvue d'éléments tels que des léchettes formant avec des éléments complémentaires non représentés un joint d'étanchéité à labyrinthe. Le tourillon comprend aussi une partie cylindrique droite 162 pour le montage d'une bague interne de palier à roulement 18. La bague 18 comprend une partie cylindrique interne 181 frettée sur la portion cylindrique 162 du tourillon. La bague comprend une piste 182 de roulement extérieure pour les organes de roulement, ici des rouleaux, non représentés de même que le reste du palier. A gauche sur la figure, la bague est prolongée, selon l'axe commun de la bague et de l'arbre, par des tenons 17. Ces tenons 17 sont bien visibles sur la figure 3 qui est une vue partielle en perspective de la bague 18. Chaque tenon présente une rainure 171 interne, tournée vers l'axe de la bague et transversalement à celui-ci. Les tenons sont répartis ici sur toute la bague 17 avec un écartement déterminé correspondant à la largeur des dents décrites ci-après. La bague 18 est en butée par la surface 172, orientée transversalement par rapport à l'axe, contre une butée axiale 167 ménagée sur la portion cylindrique 162. La surface 172 apparaît clairement sur la figure 4 montrant l'extrémité du tourillon selon une vue en perspective, de manière isolée. Des dents radiales 164 sont disposées à la périphérie de celui-ci en étant espacées les unes des autres avec un écartement correspondant à la largeur des tenons 17. Ainsi dans la position de la figure 2, les tenons 17 sont placés entre les dents 164, la bague étant en appui par la face 172 contre la face 167 formant butée. La bague 18 et le tourillon 16 forment ainsi un accouplement à crabot. Par cet accouplement la bague est fermement immobilisée en rotation, même si le serrage de la bague sur l'arbre vient à faiblir. Les dents sont alignées transversalement à l'axe de l'arbre et ménagent une rainure transversale 166, ouverte radialement, du côté opposé à celui des faces 165. Quand la bague est en appui contre la face 167, la rainure 166 est en vis à vis des rainures 171 ménagées sur les tenons 17. Dans le montage de la figure 2, un jonc 19, transversal à l'axe, est logé dans la continuité des rainures 171, et forme ledit moyen de retenue axiale. En effet, en étant logé dans l'ensemble des rainures 171, sa hauteur est suffisante pour venir en prise contre l'ensemble des dents 164. Comme on le voit sur la figure 2, il empêche tout mouvement de retrait de la bague vers la droite sur la figure. On voit sur la figure 7 qui montre un détail agrandi de la figure 6, le jonc 19 en position de verrouillage. Ce jonc a ici une section rectangulaire. Il s'étend sur la circonférence. Il forme un anneau avec une portion manquante. Il est élastique, en métal de préférence, et peut ainsi 2873161 5 être rétracté par des moyens appropriés pour venir se loger dans la rainure 166 du tourillon. Quand il est dans cette dernière position, il ne fait pas obstacle au mouvement axial de la bague. La profondeur de la rainure 166 est suffisante pour loger le jonc et l'escamoter complètement par rapport aux tenons de la bague. Comme cela apparaît sur les figures 2, 6 et 7, la partie libre des tenons 17 est engagée dans une rainure axiale tournée vers l'aval, formée entre la portion cylindrique 163 et la surface de la portion cylindrique de tourillon. Les tenons 17 sont en appui radial externe contre la surface interne de cette portion cylindrique 163. Dans la mesure où l'ensemble est susceptible de tourner à de très grandes vitesses de rotation, l'appui radial fourni par l'élément 163 permet de réduire les déformations et les contraintes dues aux forces centrifuges exercées sur les tenons. On augmente ainsi considérablement la durabilité des pièces. Au montage de la bague 18 sur le tourillon 16, on met en place d'abord le jonc en le glissant derrière les dents 164, comme on l'a représenté sur la figure 5; il est suffisamment élastique pour pouvoir être déformé. Ensuite, au moyen d'un outil approprié on force le jonc à se rétracter dans la gorge 166. Tout en maintenant le jonc dans cette position, on glisse la bague dans le long de la portion cylindrique 162, jusqu'à ce que les faces 172 de la bague viennent en butée contre les dents 164. L'engagement des tenons entre les dents formant un accouplement à crabot. On relâche alors le jonc qui se détend et vient se loger dans les gorges 171, verrouillant axialement la bague 18. Pour le démontage, on prévoit une encoche annulaire 20 par laquelle on peut extraire la bague au moyen d'un outil approprié. On observe aussi que l'on peut aisément introduire un outil entre les dents 164 pour rétracter le jonc 19. On a décrit le montage d'une bague de roulement interne d'un palier à roulement. L'invention s'applique aussi bien, mutatis mutandis, au montage de la bague externe d'un palier à roulement sur la surface interne d'un arbre ou d'une structure de carter. Par ailleurs, l'accouplement à crabot peut être réalisé en inversant les dents et les tenons les premiers sur la bague et les seconds solidaires de l'arbre. D'autres variantes à la portée de l'homme du métier sont comprises dans le cadre de la présente invention. En particulier l'invention ne se limite pas au montage d'une bague sur un arbre de turbine, elle est de portée plus générale. 2873161 -6 REVENDICATIONS 1. - Ensemble d'un arbre rotatif et d'un palier à roulement formant support de l'arbre, le palier comportant une bague (18) solidaire de l'arbre (16) et formant piste de roulement, caractérisé par le fait que la bague (18) est immobilisée en rotation sur l'arbre (16) par un accouplement de type à crabot, et en direction axiale par un moyen de retenue axial. 2. - Ensemble selon la revendication 1 dont l'accouplement à crabot et constitué 10 par au moins deux dents (164) sur l'arbre (16) coopérant avec un tenon (17) disposé sur un bord de la bague (18), le tenon (17) étant logé entre lesdites dents (1 64). 3. - Ensemble selon la revendication 2 dont l'accouplement est constitué par une 15 pluralité de dents (164) respectivement de tenons (17) espacés les uns des autres le long de la circonférence de l'arbre (16). 4. - Ensemble selon la revendication 2 ou 3 dont le moyen de retenue axiale est constitué par un jonc (19) rapporté transversalement par rapport à l'axe de l'arbre 20 (16). 5. - Ensemble selon la revendication 4 dont le jonc (19) est en forme de portion d'anneau, est réalisé dans un matériau élastique et prend une première forme en extension radiale où il forme une retenue axiale et une forme rétractée radialement où il permet le déplacement axial de la bague (18) par rapport à l'arbre. 6. - Ensemble selon l'une des revendications 2 à 5 dont l'arbre (16) comprend une portion cylindrique (163) formant butée radiale externe de l'extrémité libre 30 du ou des tenons (17). 7. - Ensemble selon l'une des revendications 1 à 6 dont la bague (18) est la bague interne du palier à roulement et est montée sur la surface extérieure de l'arbre. 8. - Ensemble selon l'une des revendications précédentes dont l'arbre (16) est un arbre de moteur à turbine à gaz. 9. Ensemble selon la revendication précédente dont l'arbre est un tourillon de turbine dans un moteur à au moins double corps.