Brevet FR3047776A1 — publié le 20170818

La présente invention concerne une turbomachine et son procédé de montage. Une turbomachine, qui peut être un compresseur et/ou une turbine, présente des roues à aubes ou à ailettes pour comprimer et/ou détendre un gaz, par exemple de l'air. Il est connu d'augmenter la vitesse de rotation d'une turbomachine pour améliorer son rendement et/ou diminuer sa taille et la rendre plus compacte. Pour limiter les pertes et ne pas employer d'huile, des paliers à air sont parfois utilisés. La turbomachine obtenue est alors une machine de grande précision avec des tolérances de fabrication réduites. Pour toutes les turbomachines, et tout particulièrement pour de telles machines à hautes performances et haut rendement, il est important de réaliser un équilibrage des pièces tournantes pour éviter la présence de balourds qui induisent une usure prématurée des paliers recevant ces pièces tournantes. La présente invention a alors pour but de fournir une structure de turbomachine permettant de réaliser un équilibrage des pièces tournantes de la machine sans avoir à démonter après équilibrage ces pièces tournantes. Ainsi, l'équilibrage peut être réalisé dans les conditions dans lesquelles les pièces tournantes travaillent dans la turbomachine et cet équilibrage n'est pas altéré par le transfert de l'ensemble tournant de la machine à équilibrer vers la turbomachine. Le document US2011/0038719 propose une solution permettant d'éviter un démontage de l'ensemble tournant d'une turbomachine après son équilibrage. Cette solution prévoit de réaliser un carter pour la turbomachine en deux parties que l'on vient monter autour du rotor après son équilibrage. Le plan de jonction des deux parties contient ici l'axe du rotor. La solution proposée dans ce document de l'art antérieur permet certes d'éviter le démontage du rotor après son équilibrage mais induit d'autres problèmes de montage. En effet, pour l'assemblage des deux parties du carter, il convient d'aligner parfaitement les deux parties pour ne pas avoir de désalignement au niveau des paliers et des butées de la machine. Il convient aussi de prévoir une bonne étanchéité entre les divers canaux de la machine. L'assemblage des deux parties du carter doit garantir une bonne tenue de celles-ci notamment lorsque la machine est soumise à des vibrations. 3047776 2 La présente invention a alors pour but de fournir une solution technique permettant, comme évoqué plus haut, d'éviter un démontage du rotor après son équilibrage mais sans induire les inconvénients indiqués au paragraphe précédent. 5 À cet effet, la présente invention propose une turbomachine comportant un rotor avec un disque de butée ainsi qu'au moins un carter dans le(s)quel(s) le rotor est monté sur des paliers de manière à pouvoir pivoter autour d'un axe de rotation longitudinal, une butée fixe coopérant avec le disque de butée pour réaliser un maintien dans le sens longitudinal du rotor 10 dans le(s) carter(s). Selon la présente invention au moins une cale est montée de manière amovible contre la butée fixe entre cette dernière et un carter. Le fait de prévoir au moins une cale entre la butée fixe et le carter sur laquelle ladite butée fixe est montée, permet de définir deux jeux axiaux 15 différents. Un premier jeu permet d'obtenir le jeu nécessaire à l'opération d'équilibrage tandis que l'autre jeu correspond au jeu (réduit) nécessaire en fonctionnement pour la turbomachine (précharge de la butée). La butée étant statique, on peut agir sur celle-ci sans avoir à intervenir sur les parties mobiles de la machine. 20 Dans une forme de réalisation préférée, il est prévu que la butée fixe se présente sous la forme d'une pièce annulaire et que la cale présente deux segments montés entre la pièce annulaire et ledit carter, les deux segments formant sensiblement une pièce annulaire. De la sorte, il est possible de venir monter la cale après équilibrage en venant démonter la butée puis insérer la 25 cale entre la butée et ledit carter. Pour faciliter les opérations de montage, la butée fixe et la cale sont montés avantageusement sur ledit carter au moyen de vis. La présente invention est particulièrement bien adaptée au cas où la turbomachine concernée comporte au moins un palier à air. 30 Une variante de réalisation préférée de la turbomachine prévoit qu'elle comporte trois carters distincts, un premier dans lequel vient prendre place un moteur pour l'entrainement du rotor, un deuxième portant la butée fixe et un troisième formant une volute, le deuxième carter étant monté entre le premier 3047776 3 et le troisième. Le carter portant la butée fixe est préférentiellement un élément intermédiaire, c'est-à-dire monté en sandwich entre deux autres carters. La présente invention concerne également un procédé de montage d'une turbomachine comportant un rotor avec un disque de butée ainsi qu'un 5 carter à l'intérieur duquel sont ménagés des paliers pour recevoir le rotor ainsi qu'une butée fixe coopérant avec le disque de butée, ledit procédé comportant une étape d'équilibrage du rotor puis de montage du rotor dans le carter. Il est proposé par la présente invention, qu'au cours de l'étape d'équilibrage, le rotor soit monté sur la machine à équilibrer avec un second 10 carter portant la butée fixe et que l'équilibrage soit réalisé alors que le rotor est monté dans ledit second carter, et qu'une étape ultérieure prévoie la mise en place d'une cale adjacente à la butée fixe. En réalisant un montage de la sorte, il est possible de ne pas avoir à démonter le rotor après l'étape d'équilibrage et de l'insérer d'un bloc dans la 15 turbomachine. Dans ce procédé, il est de préférence prévu que la cale soit disposée entre la butée fixe et le second carter la portant. Selon une forme de réalisation préférée, la butée fixe est vissée sur le second carter, et la cale est avantageusement fixée à l'aide des vis maintenant 20 la butée fixe. 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 1 est une vue en coupe longitudinale d'un rotor de 25 turbomachine à équilibrer, La figure 2 montre le rotor de la figure 1 monté dans une turbomachine en coupe longitudinale, La figure 3 montre dans une coupe correspondant aux figures 1 et 2 du rotor de la figure 1 avec un carter formant un flasque de butée, 30 La figure 4 est une vue en perspective du rotor positionné sur un outillage permettant un pré-maintien sur une machine à équilibrer, et La figure 5A est une vue éclatée de l'ensemble illustré sur la figure 3, et 3047776 4 Les figures 5B et 5C illustrent le montage d'une cale après une opération d'équilibrage. La figure 1 montre un ensemble comportant un arbre 2, un aimant 4 permanent, un disque de butée 6 et une roue 8. 5 L'arbre 2 illustré est un arbre tubulaire cylindrique d'axe longitudinal 12 dont la surface extérieure est usinée au moins au niveau d'une première zone 14 et d'une seconde zone 16 de manière à former deux portées de palier sans contact comme des paliers magnétiques ou à gaz. L'arbre 2 vient enserrer l'aimant 4 si bien que les deux pièces sont 10 solidaires l'une de l'autre. L'aimant 4 est un aimant classique utilisé comme aimant permanent dans un moteur électrique. Il est avantageusement de forme cylindrique pleine. Le disque de butée 6 fait saillie radialement de la surface extérieure de l'arbre 2. Ce disque de butée 6 est disposé en bout d'arbre 2 dans la forme de 15 réalisation représentée et est adjacent à la seconde zone 16 formant palier. Ce disque de butée 6 se prolonge, du côté opposé à l'arbre 2, par un demi-tirant 18 qui est utilisé pour le montage de la roue 8. Cette dernière est maintenue sur le demi-tirant 18 à l'aide d'un système à écrou 20. La figure 2 illustre le rotor de la figure 1 monté dans un ensemble 20 formant un compresseur motorisé. L'arbre 2 avec l'aimant 4 permanent forme ici le rotor d'un moteur 22 électrique. L'ensemble formé par le moteur 22 électrique et le rotor de la figure 1 est disposé dans un boitier réalisé en plusieurs pièces de type carter. Ainsi, le boitier comporte ici un carter moteur 24, un deuxième carter 26 formant un flasque intermédiaire et un troisième 25 carter 28 formant une volute. Le carter moteur 24 loge le moteur 22 et présente un premier support 30 pour former un palier avec la première zone 14 et un second support 32 pour former un autre palier avec la seconde zone 16. Les paliers ainsi formés sont ici des paliers à air, ce qui correspond à une forme de réalisation préférée 30 (mais non limitative) pour le compresseur motorisé décrit ici. Sensiblement tout l'arbre 2 est logé dans le carter moteur 24. Le disque de butée 6 est à l'extérieur du carter moteur 24, à proximité de ce dernier. Le disque de butée 6 et la première roue 8 sont logés dans le 3047776 5 deuxième carter 26. Ce dernier assure alors plusieurs fonctions. Vis-à-vis de la roue 8, le deuxième carter 26 est conformé de manière à intégrer le diffuseur de cette roue. Le flasque intermédiaire formé par le deuxième carter 26 sert également de support à la butée fixe 34 qui coopère avec le disque de butée 6. 5 Il est monté par exemple par vissage, ou par tout autre moyen de montage réversible, sur le carter moteur 24. La volute constituée par le troisième carter 28 est montée par vissage, ou autre montage réversible équivalent, sur le deuxième carter 26. On remarque sur la figure 2 que la forme de réalisation de la volute illustrée ici 10 comporte une entrée d'air et une sortie d'air reliées par un by-pass de régulation 36. De manière originale, il est proposé de réaliser l'équilibrage du rotor illustré sur la figure 1 lorsqu'il est monté dans le deuxième carter 26. Comme expliqué plus loin, ceci permet par la suite de pouvoir insérer le rotor d'un bloc 15 dans la turbomachine. La figure 4 illustre le positionnement de cet ensemble rotor/flasque sur un outillage 38 de maintien de machine à équilibrer. En effet, un outillage spécifique est à prévoir pour permettre le montage de cet ensemble sur la machine à équilibrer. On peut par exemple prévoir de fixer le deuxième carter 26 sur la machine à équilibrer de la même manière que celle 20 prévue pour fixer ce deuxième carter 26 sur le carter moteur 24 en adaptant par exemple l'outillage 38 de la machine à équilibrer. La solution proposée sur la figure 4 prévoit quant à elle un serrage contre l'outillage 38 à l'aide de doigts de serrage 40, le positionnement correct du deuxième carter 26 étant assuré par exemple par au moins deux pions 42 de positionnement (un seul étant 25 visible sur la figure 4). Pour équilibrer le rotor, il convient de le faire tourner autour de son axe longitudinal 12 pour mesurer le balourd du rotor et son positionnement avant de le corriger. Lors de l'équilibrage, la vitesse d'entrainement en rotation ne permet pas la création d'un film sur la butée. Il faut alors assurer un jeu axial 30 entre le disque de butée 6 et la butée fixe 34 qui est supérieur au jeu axial en fonctionnement du compresseur (très réduit). Il est proposé ici une manière originale de modifier ce jeu sans avoir à intervenir sur le rotor. La figure 5A illustre dans une perspective éclatée le rotor de la figure 1 3047776 6 (sans roue), la butée fixe 34 et une cale constituée de deux segments 44. La figure 5A montre plus en détails la butée fixe 34 qui comprend une plaque 34a formant une autre cale et une butée 34b, ces deux pièces étant fixées sur le deuxième carter 26 par des vis 34c. Cette figure est une vue 5 éclatée permettant de bien visualiser les divers composants au niveau du disque de butée 6 tournant et de la butée fixe 34. Une fois le rotor équilibré, la cale est mise en place. Pour ce faire, les vis 34c sont retirées et les segments 44, formant chacun une demi cale, sont positionnés entre la plaque 34a et le deuxième carter 26. La cale présente 10 globalement la forme d'une rondelle, c'est-à-dire qu'elle présente une forme annulaire de faible épaisseur présentant deux faces planes frontales parallèles. Cette rondelle est coupée diamétralement en deux parties, chacune de ces parties forme alors une demi cale appelée ici segment 44. On obtient de la sorte deux demi cales d'épaisseur strictement identique. Le diamètre extérieur 15 de la cale (des segments 44) est de préférence au moins égal au diamètre extérieur de la plaque 34a et/ou de la butée 34b. Le diamètre intérieur de la cale (des segments 44) est choisi de manière à permettre le montage des segments 44 sans avoir à intervenir sur le rotor. La figure 5B illustre la mise en place des segments 44 derrière la butée 20 34, c'est-à-dire entre la butée 34 formée de la butée 34b proprement dite et de la plaque 34a, et son support, le deuxième carter 26. La figure 5C illustre quant à elle le montage final : les deux segments 44 sont en place et les vis 34c sont utilisées pour la fixation de la butée 34 et des segments 44 sur le flasque intermédiaire constitué par le deuxième carter 26. Des trous sont 25 avantageusement prévus dans les segments 44 pour le passage des vis 34c de manière à permettre un parfait maintien de ces segments 44. Une fois les segments 44 (la cale) mis en place, le sous-ensemble illustré sur la figure 3 et comprenant l'arbre 2 est monté dans le carter moteur 24, le deuxième carter 26 est fixé sur le carter moteur 24 et le troisième carter 30 28 (volute) est monté. On remarque que lors du montage du compresseur motorisé de la figure 2, il n'est pas nécessaire d'agir sur le rotor après son équilibrage. Le rotor est introduit tel qu'équilibré dans l'ensemble final. 3047776 7 La description qui précède présente ainsi un principe de montage de rotor de turbomachine, et une structure de turbomachine, qui permettent une insertion du rotor dans la turbomachine sans démontage (au niveau du rotor) après équilibrage du rotor. 5 La solution proposée est, en résumé, d'équilibrer les parties tournantes formant le rotor avec certaines parties statiques en montant ces parties tournantes et statiques à l'aide d'un outillage spécifique sur la machine à équilibrer. Cette solution permet en outre d'agir sur le jeu axial entre les parties statiques et les parties dynamiques de telle sorte que ce jeu soit suffisant pour 10 permettre l'équilibrage des pièces tournantes et que la butée soit préchargée en fonctionnement de la turbomachine pour une machine avec des paliers à gaz (air). Une cale, ou cale amovible, est ici mise en place au niveau de la butée fixe permettant de la sorte de n'intervenir que sur les parties statiques de la machine pour réaliser la précharge de la butée. La cale n'est pas en place 15 pour réaliser l'équilibrage et est positionnée après cet équilibrage. Elle est réalisée en deux pièces (ou éventuellement plus) appelées plus haut segments, pour permettre ce montage après équilibrage. Il est donc proposé ici de complexifier la structure de la machine puisque des pièces complémentaires (cale amovible ou segments) sont 20 rajoutées par rapport à une structure classique mais cette complexification permet finalement de simplifier l'assemblage du rotor dans la machine et surtout d'assurer une meilleure qualité d'équilibrage final et donc un meilleur fonctionnement. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la machine et au 25 procédé présentés ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs et aux variantes évoquées mais concerne également toute variante de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Turbomachine comportant un rotor avec un disque de butée (6) ainsi qu'au moins un carter (24, 26, 28) dans le(s)quel(s) le rotor est monté sur des paliers de manière à pouvoir pivoter autour d'un axe de rotation longitudinal (12), une butée fixe (34) coopérant avec le disque de butée (6) pour réaliser un maintien dans le sens longitudinal du rotor dans le(s) carter(s) (24, 26, 28), caractérisée en ce qu'au moins une cale (44) est montée de manière amovible contre la butée fixe (34) entre cette dernière et un carter (26). 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la butée fixe se présente sous la forme d'une pièce annulaire (34) et que la cale présente deux segments (44) montés entre la pièce annulaire (34) et ledit carter (26), les deux segments (44) formant sensiblement une pièce annulaire. 3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la butée fixe (34) et la cale (44) sont montés sur ledit carter au moyen de vis (34c). 4. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un palier à air. 5. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte trois carters distincts, un premier (24) dans lequel vient prendre place un moteur pour l'entrainement du rotor, un deuxième (26) portant la butée fixe et un troisième (28) formant une volute, le deuxième carter étant monté entre le premier et le troisième. 6. Procédé de fabrication d'une turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comporte une étape d'équilibrage du rotor 25 puis de montage du rotor dans le carter (24), en ce qu'au cours de l'étape d'équilibrage, le rotor est monté sur la machine à équilibrer avec un second carter (26) portant la butée fixe (34) et l'équilibrage est réalisé alors que le rotor est monté dans ledit carter (26), et en ce qu'une étape ultérieure prévoit la mise en place d'au moins 30 une cale (44) adjacente à la butée fixe (34). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cale (44) est disposée entre la butée fixe (34) et le second carter (26) la portant. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce 3047776 9 que la butée fixe (34) est vissée sur le second carter, et en ce que la cale (44) est fixée à l'aide des vis (34c) maintenant la butée fixe (34).