Brevet FR3027070A1 — publié le 20160415

La présente invention concerne une machine tournant à des vitesses élevées présentant une roue centrifuge. Elle concerne plus particulièrement un compresseur ou une turbine radiale. Dans une machine de type compresseur-turbine, appelée aussi compander (mot obtenu à partir des mots anglais compressor pour compresseur et expandeur pour turbine ou détendeur), on trouve un ou plusieurs compresseur(s) centrifuge(s) et une ou plusieurs turbine(s). Ces divers étages sont par exemple reliés mécaniquement à un moteur commun (éventuellement une génératrice commune) par l'intermédiaire d'un ensemble d'engrenages appelé par exemple boite de vitesses. La même boite de vitesses et la même architecture de machine peut être utilisée pour des applications différentes avec des puissances différentes. Il convient alors d'adapter les roues de compresseur et de turbine à la nouvelle application. Les vitesses de rotation au niveau des roues centrifuges peuvent être très élevées. Il arrive alors que le régime de fonctionnement de la machine tournante soit un régime super-critique, c'est-à-dire dans un mode de fonctionnement au-dessus du premier mode de flexion de l'arbre portant la roue. Quand on est amené à modifier pour une nouvelle application la roue équipant une machine tournante, les caractéristiques de la nouvelle machine peuvent varier, notamment en ce qui concerne le premier mode de flexion des arbres de la machine. Si la roue centrifuge qui vient remplacer la roue centrifuge d'origine est plus légère, alors la vitesse critique, correspondant au premier mode de flexion, augmente. Il convient alors d'éviter que cette vitesse critique ne rentre dans la plage d'utilisation de la machine concernée. La présente invention a alors pour but de permettre l'utilisation dans une machine tournante, pour un compresseur ou une turbine, associée à une boite de vitesses déjà préexistante, de roues de tout type, notamment des roues plus petites et/ou plus légères, même à des vitesses élevées tout en évitant toutefois d'avoir une vitesse critique dans la plage de fonctionnement voulue. À cet effet, la présente invention propose une machine tournante, de type turbomachine, comportant une roue montée sur un arbre, caractérisée en 3027070 2 ce qu'elle comporte en outre un disque adjacent à la roue et monté sur le même arbre en étant entrainé en rotation par celui-ci, le disque étant réalisé dans un matériau d'une densité supérieure à celle du matériau utilisé pour la fabrication de la roue. 5 L'utilisation d'un disque inertiel comme mentionné ici permet d'avoir un rotor, formé par les pièces tournantes incluant la roue centrifuge et le disque additionnel, avec des propriétés dynamiques adaptées à l'utilisation que l'on souhaite faire de la roue centrifuge. Il est ainsi possible avec par exemple une roue centrifuge en alliage léger d'atteindre des vitesses de rotation élevées 10 sans avoir de zone de vitesses critiques dans la plage d'utilisation souhaitée. Dans une telle machine tournante, la roue est par exemple réalisée dans un alliage à base d'aluminium. Le disque quant à lui présente de préférence une densité supérieure à 15. Il peut être par exemple réalisé en tungstène ou dans un alliage à base de tungstène. 15 Dans une turbomachine telle que décrite ci-dessus, le disque peut être monté par serrage entre la roue et l'arbre. L'entrainement du disque peut se faire par friction. Toutefois, il peut être prévu, dans une forme de réalisation préférée, que le disque soit relié à la roue par une denture radiale de type denture Hirth. Ce montage permet une 20 transmission d'un couple élevé et assure un très bon alignement du disque avec la roue centrifuge. De même, on prévoit de préférence que le disque est relié à l'arbre moteur par une denture radiale de type denture Hirth. Ici aussi, on a une bonne transmission de couple avec un bon alignement des éléments. 25 Pour limiter les frictions avec le milieu ambiant, le diamètre du disque est avantageusement inférieur au diamètre de la roue. La présente invention concerne également un compresseur turbine, ou compander, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une machine tournante telle que décrite ci-dessus. 30 Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : La figure unique illustre un compresseur selon la présente invention. 3027070 3 On reconnait sur cette figure une roue centrifuge 2, par exemple réalisée dans un alliage léger à base d'aluminium, montée sur un arbre qui est par exemple un arbre moteur 4 (dans le cas où de l'énergie est fournie à la roue centrifuge : il pourrait s'agir aussi d'un arbre mené par la roue centrifuge si 5 celle-ci correspond à une turbine). L'arbre moteur 4 est par exemple relié à un moteur (non illustré) par l'intermédiaire d'un train d'engrenages appelé par la suite boite de vitesses (non représentée). La roue centrifuge 2 est montée sur l'arbre moteur 4 par l'intermédiaire d'un goujon 8. Cette dernière présente une première extrémité filetée visée 10 dans un trou taraudé10 longitudinal réalisé en bout d'arbre moteur 4. L'autre extrémité du goujon 8 est elle aussi filetée et reçoit un écroul4. Lors du vissage de cet écrou sur le goujon 8, on vient exercer une traction sur le goujon 8, ce qui permet de réaliser un montage avec précontrainte de la roue centrifuge 2. Un embout profilé 16, appelé aussi nez de roue, vient recouvrir 15 l'écrou 14 pour favoriser l'écoulement de fluide au niveau de la roue centrifuge 2. Un tel montage est un exemple de montage connu de l'homme du métier mais d'autres montages connus d'une roue sur un arbre pourraient être utilisés ici. Dans l'exemple illustré, on remarque la présence d'un disque 18 entre 20 l'arbre moteur 4 et la roue centrifuge 2. Ce disque 18 est réalisé dans un matériau présentant une densité supérieure à celle du matériau utilisé pour réaliser la roue centrifuge 2. Dans la forme de réalisation préférée illustrée, le disque 18 est inséré entre l'arbre moteur 4 et la roue centrifuge 2 et le bridage de la roue centrifuge 25 2 réalise ainsi le bridage du disque 18. La transmission du couple entre la roue centrifuge 2 et l'arbre moteur 4 se fait par l'intermédiaire du disque 18. Plusieurs variantes sont possibles ici. Dans le montage proposé ici où le disque 18 est bridé entre la roue centrifuge 2 et l'arbre moteur 4, un simple entrainement par friction est possible. De 30 préférence, on utilise le même accouplement entre le disque 18 et la roue centrifuge 2 et entre l'arbre moteur 4 et le disque 18 que l'accouplement prévu à l'origine (sans le disque 18) entre la roue centrifuge 2 et l'arbre moteur 4. Dans la forme de réalisation illustrée, on a à chaque fois un accouplement par 3027070 4 des dentures radiales 20, également connues sous le nom de dentures Hirth. Ainsi des dentures Hirth sont réalisées, d'une part, entre l'arbre moteur 4 et le disque 18 et, d'autre part, entre le disque 18 et la roue centrifuge 2. Ce type d'accouplement permet un excellent entrainement et permet aussi un bon 5 alignement des pièces. Le disque 18 est réalisé dans un matériau dense, présentant une densité supérieure par exemple à 15 (c'est-à-dire une masse volumique supérieure à 15 kg/dm-3). Il est par exemple fabriqué dans un alliage à base de tungstène. 10 Pour pouvoir être intégré dans la turbomachine sans souci ainsi que pour limiter les frictions dues au disque, on prévoit que le diamètre du disque 18 reste inférieur au diamètre extérieur de la roue centrifuge 2. La présence du disque 18 permet d'adapter les fréquences propres de l'ensemble tournant de manière à adapter les vitesses de rotation critiques et 15 notamment éviter que la plage nominale de fonctionnement de la machine comporte de telles vitesses de rotation critiques. La roue centrifuge 2 est destinée à tourner à des vitesses élevées, supérieures à 20.000 tr. min-1, voire supérieures à 40.000 tr. min-1. En lui adjoignant le disque 18 additionnel, il est possible d'abaisser le premier mode 20 de flexion correspondant à la première vitesse critique en deçà de la plage d'opération de la machine tournante en changeant les propriétés physiques de l'ensemble tournant, ou rotor. Bien entendu, pour de telles vitesses de rotation, un équilibrage, de préférence dynamique, de chaque élément de l'ensemble formé par le disque 18 et la roue centrifuge 2 est réalisé. 25 Le fait d'utiliser un matériau dense pour la réalisation du disque 18 permet de limiter l'encombrement du disque 18 et donc de l'ensemble monté et permet de limiter aussi les pertes par friction lors de l'utilisation de la machine tournante. Il est possible d'utiliser une roue de compresseur ou de détendeur déjà 30 existante avec une boîte de vitesses donnée sans avoir à toucher à la roue (ni à la boite de vitesses). Il suffit de lui adjoindre le disque additionnel comme décrit plus haut pour adapter les propriétés dynamiques du rotor ainsi obtenu aux conditions d'utilisation prévues. 3027070 5 Dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, il convient de choisir un disque de masse adaptée et un goujon suffisamment long pour recevoir à la fois le disque additionnel et la roue. Cette dernière se monte alors sur l'arbre moteur de la même manière que sans disque, à la seule exception près qu'il 5 convient justement de ne pas oublier de venir intercaler ce disque entre l'arbre moteur et la roue lors du montage de cette dernière. On remarque aussi que seul le goujon utilisé dans la forme de réalisation ci-dessus doit être modifié pour le montage de la roue par rapport à un montage sans disque additionnel. 10 Un compresseur ou une turbine avec une roue centrifuge et un disque inertiel peut être par exemple utilisé dans un compresseur-turbine, appelé aussi compander. À chaque étage de compression et de détente correspond alors une roue centrifuge et toutes les roues sont entrainées par l'intermédiaire d'une boite de vitesses commune à tous les étages. 15 Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférée décrite ci-dessus et illustrée sur le dessin mais elle concerne également toutes les variantes évoquées et celles à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Turbomachine comportant une roue (2) montée sur un arbre (4), caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un disque (18) adjacent à la roue (2) et monté sur le même arbre en étant entrainé en rotation par celui-ci, le disque (18) étant réalisé dans un matériau d'une densité supérieure à celle du matériau utilisé pour la fabrication de la roue (2). 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la roue (2) est réalisée dans un alliage à base d'aluminium. 3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le disque (18) présente une densité supérieure à 15. 4. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le disque (18) est réalisé en tungstène ou dans un alliage à base de tungstène. 5. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le disque (18) est monté par serrage entre la roue (2) et l'arbre (4). 6. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le disque (18) est relié à la roue (2) par une denture radiale (20) de type denture Hirth. 7. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le disque (18) est relié à l'arbre (4) par une denture radiale (20) de type denture Hirth. 8. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le diamètre du disque (18) est inférieur au diamètre de la roue (2). 9. Compresseur turbine, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8. 25