Brevet FR3021374A1 — publié le 20151127

Domaine de l'invention La présente invention concerne un système de roulement à palier de secours intégré, comprenant une première bague montée sur un 5 arbre tournant, une deuxième bague solidaire d'un bâti fixe, des première et deuxième séries d'organes de roulement interposés entre les première et deuxième bagues, et des moyens de lubrification des première et deuxième séries d'organes de roulement, les première et deuxième séries d'organes de roulement étant espacées l'une de l'autre le long d'un axe de 10 l'arbre tournant de manière à définir un système de roulement à double effet. Art antérieur 15 Les systèmes de roulement de support d'arbres tournants peuvent être soumis à des défaillances notamment suite à une usure des roulements. Lorsqu'un système de roulement supporte par exemple un arbre de turbocompresseur équipant un aéronef, une défaillance de ce système 20 de roulement peut avoir des conséquences très dommageables. Dans la plupart des cas, les conséquences de cette défaillance se traduisent par la perte du guidage et du maintien des parties tournantes qui rentrent en contact avec les parties fixes. Ceci entraîne une chute brutale du régime de rotation avec 25 perte du débit d'air et donc de la puissance des turbomachines ou des moteurs thermiques suralimentés, ainsi que les événements associés tels que la rupture et la perte des aubes de la roue de compresseur et de la turbine, ou l'introduction de vibrations par l'apparition de forts balourds. Dans des applications particulières mettant en oeuvre un 30 turbocompresseur, une turbomachine ou un réacteur, il est impératif d'écarter tout risque de ce type d'endommagement. On a déjà proposé d'équiper des turbomachines de paliers de secours, mais ceux-ci sont positionnés à l'extérieur des systèmes de roulement et sont généralement des paliers à portées métalliques. Cette 35 technologie n'est pas adaptée aux roulements ayant un régime de rotation élevé et à faible encombrement, comme c'est le cas pour les roulements 3 02 13 74 2 utilisés dans les turbocompresseurs de suralimentation des moteurs thermiques par exemple. Par ailleurs, les paliers de secours existants utilisés sur des turbomachines ont essentiellement pour but d'éviter le risque d'une 5 rupture explosive des aubages en cas d'endommagement des roulements. Ils ne permettent pas a priori un fonctionnement en mode dégradé. La technologie existante est encombrante et ne permet pas d'amortir les modes de vibration d'arbre y compris dans le cas d'un fonctionnement normal. 10 Objet et description succincte de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités des systèmes de roulement connus. 15 De façon plus particulière, l'invention vise à réaliser un système compact de roulement à palier de secours intégré qui soit adapté à des arbres tournant à grande vitesse de rotation et permette, d'une part en fonctionnement normal (lorsque le guidage prioritaire est assuré par les roulements) et d'autre part en mode dégradé (lorsque les roulements 20 présentent une usure prononcée ou une défaillance), de créer un amortissement des vibrations de l'arbre ou de contrer un balourd accidentel. Ces buts sont atteints grâce à un système de roulement à palier de secours intégré, comprenant une première bague montée sur un arbre 25 tournant, une deuxième bague solidaire d'un bâti fixe, des première et deuxième séries d'organes de roulement interposées entre les première et deuxième bagues, les première et deuxième séries d'organes de roulement étant espacées l'une de l'autre le long d'un axe de l'arbre tournant de manière à définir un système de roulement à double effet, et 30 des moyens de lubrification desdites première et deuxième séries d'organes de roulement, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un palier lisse de secours interposé d'une part entre lesdites première et deuxième bagues et d'autre part entre les première et deuxième séries d'organes de roulement et en ce que les moyens de lubrification sont 35 réalisés de manière à assurer l'interposition d'un film d'huile dans des jeux ménagés d'une part entre la première bague et le palier lisse de secours et d'autre part entre la deuxième bague et le palier lisse de secours, le jeu ménagé entre le palier lisse de secours et la première bague étant supérieur au jeu fonctionnel des première et deuxième séries d'organes de roulement dans toute la plage de fonctionnement thermique du système de roulement. Le palier lisse de secours est réalisé en un matériau à faible coefficient de frottement et peut par exemple être réalisé en bronze spongieux. Selon une caractéristique particulière de l'invention, des butées 10 sont formées sur la première bague d'une part entre la première série d'éléments de roulement et le palier lisse de secours et d'autre part entre la deuxième série d'éléments de roulement et le palier lisse de secours. Les moyens de lubrification peuvent comprendre des orifices formés dans la deuxième bague soit en regard d'espaces libres ménagés 15 entre lesdites butées et le palier lisse de secours, soit en regard d'orifices formés dans le palier lisse de secours. Selon un aspect de la présente invention, le système comprend en outre des capteurs de grandeurs physiques disposés sur la deuxième bague au voisinage du palier lisse de secours et un système de 20 surveillance destiné à détecter des dysfonctionnements mesurés par lesdits capteurs. Dans ce cas, les capteurs de grandeurs physiques peuvent comprendre au moins un capteur de mesure de température, un capteur de mesure de perte de jeu fonctionnel, un capteur de mesure de pression 25 de contact sur le palier lisse de secours ou un accéléromètre. Selon un premier mode de réalisation possible, la première bague est une bague intérieure et la deuxième bague est une bague extérieure. Selon un deuxième mode de réalisation possible, la première 30 bague est une bague extérieure et la deuxième bague est une bague intérieure. Selon un mode de réalisation avantageux, la première bague est réalisée en deux parties accolées axialement dans une zone médiane située entre les première et deuxième séries d'organes de roulement. 35 Le système selon l'invention peut être appliqué en particulier au support de l'arbre d'un turbocompresseur, de manière à permettre un 3 0 2 1 3 7 4 4 fonctionnement du turbocompresseur en mode dégradé sur le palier lisse de secours en cas de défaillance de la première série d'organes de roulement ou de la deuxième série d'organes de roulement. D'une manière générale, un système de roulement à palier de 5 secours intégré selon l'invention peut être utilisé pour assurer le guidage d'ensembles tournants dans un large domaine comprenant notamment des moteurs thermiques, des moteurs électriques, des pompes, ou plus généralement tout système ayant des pièces en rotation , que ce soit avec une technologie de roulement à bague intérieure tournante ou à bague extérieure tournante. Le système selon l'invention est simplifié par rapport à un système à redondance complète plus complexe à mettre en oeuvre consistant à doubler les ensembles d'éléments de roulement. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un exemple de système de roulement à palier de secours intégré conforme à l'invention. Description détaillée de modes particuliers de réalisation Si l'on se reporte à la figure 1, on voit le principe d'un système de roulement à palier de secours intégré réalisé conformément à l'invention. Le système de roulement comprend une première bague 2 qui est montée sur un arbre tournant 1 et peut être avantageusement réalisée en deux parties 21, 22 accolées axialement dans une zone médiane située entre des première et deuxième séries d'organes de roulement 4a, 4b, tels que des billes, qui sont interposées entre la première bague 2 et une deuxième bague 3 solidaire d'un bâti 10 fixe. Les deux parties 21, 22 sont bloquées axialement sur l'arbre tournant 1. 302 1 3 7 4 5 Les première et deuxième séries d'organes de roulement 4a, 4b interposées entre les première et deuxième bagues 2, 3, sont espacées l'une de l'autre le long d'un axe X'-X de l'arbre tournant 1 de manière à définir un système de roulement à double effet. Des orifices 31, 32 sont 5 ménagés dans la deuxième bague 3 pour assurer la lubrification des première et deuxième séries d'organes de roulement 4a, 4b. Selon l'invention, un palier lisse de secours 5 est interposé d'une part entre les première et deuxième bagues 2, 3 et d'autre part entre les première et deuxième séries d'organes de roulement 4a, 4b. 10 Le palier lisse de secours 5 est réalisé en un matériau à faible coefficient de frottement et peut être réalisé par exemple en bronze spongieux. Les orifices 31, 32 de lubrification ménagés dans la deuxième bague 3 au voisinage des deux séries d'organes de roulement 4a, 4b et un 15 ou plusieurs orifices supplémentaires 33 de lubrification ménagés dans la deuxième bague 3 dans la zone située entre les deux séries d'organes de roulement 4a, 4b sont réalisés de manière à assurer l'interposition d'un film d'huile dans des jeux 8, 9 ménagés d'une part entre la première bague 2 et le palier lisse de secours 5 et d'autre part entre la deuxième 20 bague 3 et le palier lisse de secours 5. Le jeu 8 ménagé entre le palier lisse de secours 5 et la première bague tournante 2 est supérieur au jeu fonctionnel des première et deuxième séries d'organes de roulement 4a, 4b dans toute la plage de fonctionnement thermique du système de roulement. 25 Des butées 6, 7 sont de préférence formées sur la première bague 2 d'une part entre la première série d'éléments de roulement 4a et le palier lisse de secours 5 et d'autre part entre la deuxième série d'éléments de roulement 4b et le palier lisse de secours 5. Les orifices de lubrification 31, 32 formés dans la deuxième 30 bague 3 au voisinage des deux séries d'organes de roulement 4a, 4b en étant orientés en direction des pistes des organes de roulement sont également en regard d'espaces libres 61, 71 ménagés entre les butées 6, 7 et le palier lisse de secours 5. Le ou les orifices 33 formés dans la deuxième bague 3 dans une zone médiane sont également disposés en 35 regard d'orifices 51 formés dans le palier lisse de secours 5 pour assurer la 302 1 3 7 4 6 lubrification de la partie du palier lisse susceptible d'être en contact avec les éléments en rotation (demi-bagues tournantes 21, 22). Les butées 6, 7 jouent notamment un rôle de barrière face aux particules métalliques engendrées par la dégradation du système de 5 roulement, et contribuent à maintenir l'efficacité du principe de lubrification centrale par les orifices 33, 51. Le système de roulement selon l'invention est ainsi plus robuste face à une éventuelle pollution de l'huile de lubrification par des particules métalliques ou de la silice par exemple pouvant provenir de la dégradation des éléments de roulement 10 4a, 4b ou des pistes de roulement associées. Grâce aux orifices ou espaces libres de lubrification 31, 32, 33 et 61, 71, 51, un film d'huile permanent assure la lubrification du palier lisse 5 qui peut être éventuellement en contact avec la partie tournante 2. La pression d'huile autour du palier lisse permet également d'empêcher la 15 pollution du palier de secours par les particules venant des roulements. Le palier lisse 5 peut ainsi fonctionner en amortisseur à film écrasé (« squeeze film » en anglais) par un dosage et une répartition du débit d'huile dérivé d'un circuit d'alimentation principale et introduit dans les jeux 8 et 9. Les jeux 8 et 9 de la portée palier de secours 5 / bagues 20 21, 22 et palier de secours 5 / bague 3 sont définis pour assurer la fonction d'amortissement de l'ensemble tournant et limiter la fatigue vibratoire des parties roulantes du roulement. Le système de roulement selon l'invention comprend en outre des capteurs 11, 12 de grandeurs physiques disposés sur la deuxième 25 bague 3 au voisinage du palier lisse de secours 5 et un système de surveillance 13 destiné à détecter des dysfonctionnements mesurés par les capteurs 11, 12. Les capteurs 11, 12 de grandeurs physiques comprennent au moins un capteur de mesure de température, un capteur de mesure de 30 perte de jeu fonctionnel, un capteur de mesure de pression de contact sur le palier lisse de secours 5 ou un accéléromètre. Les signaux délivrés par les capteurs 11, 12 sont traités par le système de surveillance 13 qui enregistre la détection des dysfonctionnements et peut déclencher une alarme afin d'informer un utilisateur de la dégradation du roulement. 35 Ainsi, selon l'invention, on introduit dans le système de roulement un palier lisse 5 ayant un coefficient de frottement le plus 3 0 2 1 3 7 4 7 réduit possible sur la partie non tournante du système de roulement (bague 3). Un jeu 8 est réalisé au moins entre le palier lisse 5 et la partie tournante (bague 2), ce jeu 8 étant supérieur au jeu fonctionnel du système de roulement dans toute la plage de fonctionnement thermique, 5 c'est-à-dire quelles que soient les dilatations dans cette plage de fonctionnement. Le palier lisse 5 entre en action en cas de perte de centrage des parties mobiles. La lubrification est permanente et résulte d'un débit de fuite dérivé du débit de lubrification des éléments de roulement 4a, 4b du 10 système de roulement. En fonctionnement normal (lorsque le guidage prioritaire est assuré par les roulements 4a, 4b) et d'autre part en mode dégradé (lorsque les roulements 4a, 4b présentent une usure prononcée ou une défaillance), il est créé un amortissement des vibrations de l'arbre 1 grâce 15 au film hydrodynamique formé dans l'espace 9 entre le palier de secours 5 et la bague 3 ainsi qu'au film hydrodynamique formé dans l'espace 8 entre le palier de secours 5 et les demi-bagues 21, 22. L'invention permet également de contrer un balourd accidentel. Sur la figure 1, on a représenté une bague tournante 2 20 intérieure et une bague fixe 3 extérieure. Toutefois, l'invention s'applique de la même manière au cas d'un système de roulement comprenant un arbre creux extérieur et un bâti fixe intérieur, tel qu'un mandrin, c'est-à-dire un système comprenant une bague tournante extérieure et une bague fixe intérieure. 25 Dans le cas où l'invention est appliquée par exemple à un turbocompresseur d'aéronef, il est possible de prolonger le fonctionnement en mode dégradé du turbocompresseur ayant une défaillance du roulement de palier et de permettre au pilote de l'aéronef d'avoir suffisamment de temps pour gérer l'incident. 30 L'invention consiste ainsi à introduire à l'intérieur d'un système de roulement de palier, un palier lisse 5 reprenant, en cas de dégradation des éléments de roulement 4a, 4b, la fonction de guidage et de maintien normalement assurée par les éléments de roulement 4a, 4b et les pistes formées sur les bagues 2 et 3 pour coopérer avec les éléments de 35 roulement 4a, 4b. Un utilisateur peut être prévenu d'un dysfonctionnement par le système de surveillance 13 qui assure une surveillance du système de roulement à l'aide d'un ou plusieurs capteurs 11, 12 destinés à mesurer notamment le jeu, la contrainte au niveau du palier de secours ou la température. L'invention peut être appliquée de façons très diverses à tous 5 systèmes de palier à roulement destinés à assurer le guidage d'ensembles tournants, notamment pour des moteurs thermiques, des moteurs électriques, des pompes ou tous systèmes ayant des pièces en rotation, que ce soit avec une technologie à bague intérieure tournante, comme représenté sur la figure 1 ou avec une technologie à bague extérieure 10 tournante, pour laquelle l'invention peut être appliquée de la même manière. REVENDICATIONS1. Système de roulement à palier de secours intégré, comprenant une première bague (2) montée sur un arbre tournant (1), une deuxième bague (3) solidaire d'un bâti (10) fixe, des première et deuxième séries d'organes de roulement (4a, 4b) interposées entre les première et deuxième bagues (2, 3), les première et deuxième séries d'organes de roulement (4a, 4b) étant espacées l'une de l'autre le long d'un axe (X'-X) de l'arbre tournant (1) de manière à définir un système de roulement à double effet, et des moyens (31, 32) de lubrification desdites première et deuxième séries d'organes de roulement (4a, 4b), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un palier lisse de secours (5) interposé d'une part entre lesdites première et deuxième bagues (2, 3) et d'autre part entre les première et deuxième séries d'organes de roulement (4a, 4b) et en ce que les moyens (31, 32, 33) de lubrification sont réalisés de manière à assurer l'interposition d'un film d'huile dans des jeux (8, 9) ménagés d'une part entre la première bague (2) et le palier lisse de secours (5) et d'autre part entre la deuxième bague (3) et le palier lisse de secours (5), le jeu (8) ménagé entre le palier lisse de secours (5) et la première bague (2) étant supérieur au jeu fonctionnel des première et deuxième séries d'organes de roulement (4a, 4b) dans toute la plage de fonctionnement thermique du système de roulement. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le palier lisse de secours (5) est réalisé en un matériau à faible coefficient de frottement. 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des butées (6, 7) sont formées sur la première bague (2) d'une part entre la première série d'éléments de roulement (4a) et le palier lisse de secours (5) et d'autre part entre la deuxième série d'éléments de roulement (4b) et le palier lisse de secours (5). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les 35 moyens de lubrification comprennent des orifices (31, 32, 33) formés dans la deuxième bague (3) soit en regard d'espaces libres (61, 71) ménagésentre lesdites butées (6, 7) et le palier lisse de secours (5), soit en regard d'orifices (51) formés dans le palier lisse de secours (5). 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des capteurs (11, 12) de grandeurs physiques disposés sur la deuxième bague (3) au voisinage du palier lisse de secours (5) et un système de surveillance (13) destiné à détecter des dysfonctionnements mesurés par lesdits capteurs (11, 12). 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les capteurs (11, 12) de grandeurs physiques comprennent au moins un capteur de mesure de température, un capteur de mesure de perte de jeu fonctionnel, un capteur de mesure de pression de contact sur le palier lisse de secours ou un accéléromètre (5). 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première bague (2) est une bague intérieure et la deuxième bague (3) est une bague extérieure. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première bague est une bague extérieure et la deuxième bague est une bague intérieure. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 25 caractérisé en ce que la première bague (2) est réalisée en deux parties (21, 22) accolées axialement dans une zone médiane située entre les première et deuxième séries d'organes de roulement (4a, 4b). 10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 30 caractérisé en ce qu'il est appliqué au support de l'arbre d'un turbocompresseur de manière à permettre un fonctionnement du turbocompresseur en mode dégradé sur le palier lisse de secours (5) en cas de défaillance de la première série d'organes de roulement (4a) ou de la deuxième série d'organes de roulement (4b). 35