Brevet FR3057311A1 — publié le 20180413

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des machines tournantes, et plus précisément les paliers pour machines tournantes. ETAT DE L'ART Les machines tournantes, et notamment les turbopompes utilisées dans les applications spatiales, nécessitent d'avoir une, voire deux butées axiales ainsi que un ou plusieurs paliers pour la suspension radiale du rotor de la machine tournante. On utilise ainsi communément des doublets de roulements, réalisant à la fois une fonction de palier pour le rotor et de butées axiales. Des roulements à bille à trois points de contact peuvent également être utilisés. En fonction des efforts axiaux à reprendre par les butées, et en fonction du rôle (notamment de suspension radiale) joué par celles-ci, il peut être souhaitable de modifier la configuration du palier, de manière à modifier le type d'efforts axiaux qu'il est adapté à reprendre. Un palier est en effet typiquement adapté pour reprendre les efforts axiaux selon une unique direction, et il peut être intéressant qu'il soit également à même de reprendre les efforts axiaux selon la direction opposée, comme un roulement à trois points de contact par exemple, notamment dans le cas de machines ayant des domaines de fonctionnement vastes. De même, il peut s'avérer intéressant à la fois de minimiser le jeu radial selon une direction afin de limiter les déplacements notamment lorsque la machine est à l'arrêt ou pour le transport, et de permettre un jeu plus important afin de permettre des déplacements radiaux lorsque la machine change de sens de fonctionnement. 3057311 2 Il y a donc un besoin de paliers pouvant proposer de telles caractéristiques. PRESENTATION DE L'INVENTION 5 A cet effet, la présente invention propose un palier pour machine tournante selon une direction axiale, comprenant une bague interne montée autour d'un arbre de la machine tournante, et une bague externe montée dans un carter, entre lesquelles sont disposés des 10 éléments de roulement, dans lequel la bague interne est montée autour de l'arbre et est maintenue fixe en translation selon la direction axiale,la bague externe est montée dans un logement du carter, et maintenue en appui contre un épaulement du carter au moyen d'un organe de pré-charge d'une part,caractérisé en ce que lorsque la résultante de l'effort 15 axial sur la partie tournante de la machine tournante est inférieure à une valeur seuil définie par l'organe de pré-charge, ledit palier forme une butée axiale et radiale de l'arbre par rapport au carter,lorsque la résultante de l'effort axial sur la partie tournante de la machine tournante est supérieure à une valeur seuil, ledit palier permet un 20 débattement axial et radial entre l'arbre et le carter. Selon un exemple, lorsque la résultante de l'effort axial sur la partie tournante de la machine tournante est supérieure à une valeur seuil définie par l'organe de pré-charge, ledit palier réalise une fonction de 25 reprise des efforts axiaux entre l'arbre et le carter. Selon un exemple, le palier comprend en outre un système de chargement adapté pour exercer un effort de charge axiale entre le carter et l'arbre s'opposant à l'effort de pré-charge exercé par l'organe 30 de pré-charge. 3057311 3 Selon un exemple, la bague externe est disposée dans un logement du carter, ladite bague externe présentant au moins une portion dont le diamètre externe est strictement inférieur au diamètre interne dudit logement du carter. 5 Selon un exemple, la bague interne comprend deux demi-bagues internes montées successivement autour de l'arbre selon la direction axiale, et maintenues en appui l'une contre l'autre. 10 Selon un exemple, la bague externe comprend deux demi-bagues externes montées successivement selon la direction axiale, l'une au moins desdites demi-bagues externes présentant un diamètre externe strictement inférieur au diamètre interne dudit logement du carter. 15 L'une des demi-bagues externes est alors par exemple maintenue en appui contre les éléments de roulement par le système de pré-charge, et l'autre des demi-bagues externes est couplée à un élément de rappel tendant à l'écarter de l'autre des demi-bagues. 20 En variante, l'une des demi-bagues externe peut être maintenue en appui contre les éléments de roulement par le système de pré-charge, et l'autre des demi-bagues est couplée à un élément de rappel en appui sur le carter, tendant à le déplacer vers la première demi-bague. 25 Selon un exemple, ledit organe de pré-charge est monté en parallèle d'une butée, de sorte que le débattement axial de la bague externe est limité d'une part par l'épaulement et d'autre part par ladite butée. L'invention concerne également une turbopompe d'engin spatial 30 comprenant un palier tel que défini précédemment. 3057311 4 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, 5 et qui doit être lue en regard des figures annexées, sur lesquelles : - Les figures 1 et 2 présentent un palier selon un aspect de l'invention, respectivement dans une configuration embrayée et dans une configuration débrayée ; - La figure 3 présente une variante de la figure 2, 10 - Les figures 4 et 5 présentent un palier selon un autre aspect de l'invention, respectivement dans une configuration embrayée et dans une configuration débrayée ; - Les figures 6 et 7 présentent un palier selon un autre aspect de l'invention, respectivement dans une configuration embrayée et 15 dans une configuration débrayée. Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. 20 DESCRIPTION DETAILLEE Les figures 1 et 2 présentent un exemple de palier selon un aspect de l'invention, dans deux configurations différentes. 25 On représente sur ces figures un arbre 1 de machine tournante, monté dans un carter 2. L'arbre 1 est monté tournant par rapport au carter 2, ou inversement ; la machine tournante est ainsi typiquement une machine à carter tournant ou à carter fixe. 30 La rotation de la machine tournante est selon une direction axiale définie par l'arbre 1, et représentée schématiquement sur les figures par un axe Z-Z. 3057311 5 Un palier est disposé entre l'arbre 1 et le carter 2, assurant ainsi la rotation de l'arbre 1 par rapport au carter 2 ou inversement. Le palier comprend une bague interne 3 montée autour de l'arbre 1, et une bague externe 4 montée dans le carter 2, entre lesquels sont 5 disposés des éléments de roulement 5, typiquement des billes, maintenues dans une cage 6. La bague externe 4 est disposée dans un logement, entre une butée 41 du carter 2 associée à un organe de pré-charge 6 d'une part, et un épaulement 7 du carter 2 d'autre part. 10 Comme on le voit sur les figures, la bague externe 4 présente un diamètre externe inférieur au diamètre interne du logement dans lequel elle est disposée. Seul l'épaulement 7 définissant une extrémité de ce logement vient au contact de la bague externe 4. On définit ainsi un jeu radial J entre le diamètre externe de la bague 1 5 externe 4 et le diamètre interne du logement du carter 2 dans lequel la bague externe 4 est disposée. L'organe de pré-charge 6 exerce un effort de poussée sur la bague externe 4, tendant à l'appuyer contre l'épaulement 7 du carter 2. 20 L'organe de pré-charge 6 est typiquement un ressort ou une rondelle. Dans le mode de réalisation représenté, l'organe de pré-charge 6 est monté sur un épaulement rapporté 41 du carter 2. L'organe de pré-charge 6 assure ainsi un maintien en position radial de 25 la bague externe 4, en la maintenant en appui contre l'épaulement 7. La bague interne 3 est fixe en translation selon la direction axiale par rapport à l'arbre 1. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, la bague interne 30 3 est composée de deux demi-bagues internes 3A et 3B afin d'en faciliter le montage, disposées entre deux manchons 31 et 32 typiquement montés serrés sur l'arbre 1. Les demi-bagues internes 3A et 3B sont typiquement montées serrées autour de l'arbre 1. 3057311 6 Dans l'exemple illustré, l'un de ces manchons présente un épaulement 33, contre lequel vient en appui un moyen de rappel élastique optionnel tel qu'un ressort 34, ce dernier étant en appui contre un épaulement 35 lié au carter 2. 5 Le ressort 34 forme un système de chargement 34 axial, exerçant un effort de chargement axial entre le carter 2 et l'arbre 1 s'opposant à l'organe de pré-charge 6. 10 L'organe de pré-charge 6 définit ainsi une valeur seuil d'effort axial, au- delà duquel la bague externe 4 du palier se désengage de l'épaulement 7 du carter 2. Plus précisément, lorsque la résultante sur le rotor liée par exemple aux 15 efforts hydrauliques de la machine tournante s'opposant à l'effort de pré-charge défini par l'organe de pré-charge 6 dépasse la valeur seuil définie par l'organe de pré-charge 6, l'organe de pré-charge 6 est comprimé, ce qui confère un degré de liberté en translation axiale au rotor (partie tournante de la machine) par rapport au stator (partie fixe 20 de la machine). De plus, en se dégageant de l'épaulement 7, la bague externe 4 n'est plus maintenue radialement, et présente donc également un degré de liberté radial défini par le jeu J entre le diamètre externe de la bague 25 externe 4 et le diamètre interne du logement du carter 2 dans lequel la bague externe 4 est disposée. La figure 2 représente une telle configuration (configuration débrayée), dans laquelle la résultante de l'effort axial sur le rotor 1, ici indiqué 30 comme étant l'arbre 1, est représentée par une flèche, et cette résultante est supérieure à l'effort de pré-charge exercé par l'organe de pré-charge 6, par opposition à la figure 1 (configuration embrayée) dans laquelle la résultante de l'effort axial sur le rotor 1 est inférieure à 3057311 7 l'effort de pré-charge exercé par l'organe de pré-charge 6, et la bague externe 6 est donc en appui contre l'épaulement 7 du carter 2. Dans la configuration débrayée, le palier ne reprend que l'effort axial, et 5 est typiquement à même de reprendre des efforts axiaux significatifs. Les efforts radiaux peuvent alors être repris par un autre élément adapté, par exemple un autre palier ou un composant fluidique tel que des joints hydrostatiques. 10 Dans la configuration embrayée, le palier présente un fonctionnement conventionnel de roulement, par exemple en 3 points de contact, et reprend les efforts radiaux tout en réalisant une butée axiale. Lorsque la résultante d'effort est dans le sens opposé à la flèche F sur la 15 figure 2, en configuration embrayée, le palier réalise également une fonction de reprise des efforts axiaux dont la résultante s'additionne à l'effort de pré-charge appliqué par l'organe de pré-charge 6, c'est-à-dire les efforts axiaux tendant à appliquer la bague externe 4 contre l'épaulement 7. Le roulement ne reprend alors que la résultante sur le 20 rotor, l'effort de pré-charge 6 transitant uniquement par la bague externe 4. La capacité de reprise des efforts axiaux est asymétrique ; l'organe de pré-charge 6 et le débattement radial défini par le jeu J permettent en effet de reprendre des efforts axiaux nettement supérieurs dans une 25 première direction de charge (représentée par la flèche F sur les figures 1 et 2) que dans une seconde direction de charge. La structure proposée permet donc d'alterner entre une configuration embrayée, dans laquelle le rotor et le stator sont maintenus fixes en 30 axialement et radialement l'un par rapport à l'autre, et une configuration débrayée permettant un débattement à la fois radial et axial. La configuration embrayée est notamment intéressante lors des phases de stockage et de transport d'une machine tournante, lors desquelles on 3057311 8 souhaite limiter les déplacements des différents éléments afin d'éviter de les endommager, ou lors de phases de fonctionnement à bas régime pour lesquels l'effort hydraulique sur l'arbre 1 est faible. La configuration débrayée est quant à elle intéressante typiquement 5 pour les phases de fonctionnement à régime élevé, afin de faire transiter les efforts radiaux importants par ailleurs (par des paliers hydrostatiques par exemple) qui peuvent s'exercer sur l'arbre 1, limitant ainsi l'usure qui résulterait d'un fonctionnement conventionnel en trois points de contact. 10 La figure 3 représente une variante du mode de réalisation déjà décrit en référence aux figures 1 et 2, dans lequel l'organe de pré-charge 6 est couplé à une butée 42 afin de limiter le débattement axial de la bague externe 4, qui est alors limité d'une part par l'épaulement 7, et d'autre 15 part cette butée 42. Une telle variante peut également être réalisée pour les exemples qui seront décrits par la suite. 20 Les figures 4 et 5 présentent un autre exemple de palier selon un aspect de l'invention. Dans ce mode de réalisation, la bague externe 4 est formée de deux demi-bagues ; une première demi-bague externe 4A et une seconde 25 demi-bague externe 4B, tandis que la bague interne 3 est réalisée en une seule pièce. L'organe de pré-charge 6 exerce ici un effort de poussée sur la première demi-bague externe 4A, tandis que la seconde demi-bague externe 4B 30 est en appui contre l'épaulement 7 du carter 2. Un moyen de rappel élastique 43 est ici positionné entre les demi-bagues externes 4A et 4B, tendant à les écarter, et tendant ainsi à faciliter un fonctionnement en deux points de contact. 3057311 9 La seconde demi-bague externe 4B présente ici un diamètre externe égal au diamètre interne du logement dans lequel elle est disposée. La première demi-bague externe 4A présente quant à elle un diamètre 5 externe inférieur à celui du logement dans lequel elle est disposée. Le jeu radial J est ainsi ici défini entre le diamètre externe de la première demi-bague externe 4A et le diamètre interne du logement du carter 2 dans lequel les demi-bagues externes 4A et 4B sont disposées. 10 Lorsque la résultante axiale des efforts axiaux est inférieure à la valeur seuil définie par l'organe de pré-charge 6, l'organe de pré-charge 6 applique la première demi-bague externe 4A contre les éléments de roulement 5, qui sont à leur tour appliqués contre la seconde demi-bague externe 4B. Les éléments de roulement 5 sont ainsi maintenus 15 axialement par les demi-bagues externes 4A et 4B, et radialement par la demi-bague externe 4B. Lorsque la résultante axiale des efforts axiaux est supérieure à la valeur seuil définie par l'organe de pré-charge 6, l'organe de pré-charge 6 est 20 comprimé, ce qui confère alors un degré de liberté axial au rotor comme décrit précédemment en référence aux figures 1 et 2, et passe alors d'une configuration embrayée telle que représentée sur la figure 3 à une configuration débrayée telle que représentée sur la figure 4. 25 La seconde demi-bague externe 4B est maintenue en appui contre l'épaulement 7, tandis que la première demi-bague externe 4A s'écarte de la seconde demi-bague externe 4B sous l'effet de l'effort axial transmis par les éléments de roulement 5. Les éléments de roulement 5 ne sont alors plus maintenus radialement par la seconde demi-bague 30 4B, mais uniquement par la première demi-bague 4A. Or, cette dernière permet un débattement radial défini par le jeu J ; on retrouve donc bien dans ce mode de réalisation une configuration débrayée permettant un débattement à la fois radial et axial. 3057311 10 Ce mode de réalisation présente donc un principe similaire à celui présenté sur les figures 1 et 2, mais c'est ici l'une des demi-bagues, en l'occurrence la première demi-bague externe 4A qui définit le jeu radial 5 J, tandis que la seconde demi-bague demeure en appui contre l'épaulement 7. L'organe de pré-charge 6 permet ainsi de charger le rotor, de sorte que l'effort transite par le rotor et non pas par l'épaulement, mais également 10 de plaquer les demi-bagues externes contre les éléments de roulement 5, annulant ainsi le jeu interne du palier. Cela permet ainsi d'améliorer le maintien des éléments de roulement 5 du palier, notamment lors du transport, et également d'augmenter le couple lorsque le palier est en configuration embrayée, ce qui permet par exemple de freiner le palier 1 5 lorsqu'il est à l'arrêt. Les figures 6 et 7 présentent un autre exemple de palier selon un aspect de l'invention. 20 Dans ce mode de réalisation, comme dans le mode de réalisation décrit précédemment en référence aux figures 3 et 4, la bague externe 4 est formée de deux demi-bagues ; une première demi-bague externe 4A et une seconde demi-bague externe 4B, tandis que la bague interne 3 est réalisée en une seule pièce. 25 L'organe de pré-charge 6 exerce ici un effort de poussée sur la première demi-bague externe 4A, tandis que la seconde demi-bague 4B est en appui contre l'épaulement 7 du carter 2. Un moyen de rappel élastique 44 est ici positionné entre le carter 2 et la 30 demi-bague externe 4B, tendant à l'appuyer contre l'élément de roulement 5. 3057311 11 La seconde demi-bague externe 4B présente ici un diamètre externe égal au diamètre interne du logement dans lequel elle est disposée. La première demi-bague externe 4A présente quant à elle un diamètre externe inférieur à celui du logement dans lequel elle est disposée. Le jeu radial J est ainsi ici défini entre le diamètre externe de la première demi-bague externe 4A et le diamètre interne du logement du carter 2 dans lequel les demi-bagues externes 4A et 4B sont disposées. Lorsque la résultante axiale des efforts axiaux est inférieure à la valeur 10 seuil définie par l'organe de pré-charge 6, l'organe de pré-charge 6 applique la première demi-bague externe 4A contre les éléments de roulement 5, qui sont à leur tour appliqués contre la seconde demi-bague externe 4B. Les éléments de roulement 5 sont ainsi maintenus axialement par les demi-bagues externes 4A et 4B, et radialement par la 1 5 demi-bague 4B. Lorsque la résultante axiale des efforts axiaux est supérieure à la valeur seuil définie par l'organe de pré-charge 6, l'organe de pré-charge 6 est comprimé, ce qui tend alors à écarter la première demi-bague externe 20 4A de l'épaulement 7. A la différence du mode de réalisation présenté sur les figures 3 et 4 dans lequel la seconde demi-bague 4B demeure immobile, la seconde demi-bague externe 4B est ici mobile axialement, entre l'épaulement 7 25 et une butée 45 (ici formée par l'épaulement rapporté 41 du carter 2), définissant un débattement axial K de la seconde demi-bague externe 4B. Ainsi, lorsque la résultante axiale des efforts axiaux est supérieure à la 30 valeur seuil définie par l'organe de pré-charge 6, l'organe de pré-charge 6 est comprimé, ce qui tend alors à écarter la première demi-bague externe 4A de l'épaulement 7, mais la seconde demi-bague externe 4B est alors maintenue en appui contre les éléments de roulement du fait 3057311 12 du moyen de rappel élastique 44 qui va ainsi déplacer la seconde demi-bague externe 4B jusqu'à ce qu'elle vienne en appui contre la butée 45. Une fois la seconde demi-bague externe 4B en appui contre la butée 45, 5 la première demi-bague externe 4A s'écarte de la seconde demi-bague externe 4B sous l'effet de la résultante axiale, et les éléments de roulement 5 ne sont alors plus maintenus radialement par la seconde demi-bague externe 4B. 10 Ce mode de réalisation définit donc une seconde valeur seuil, supérieure à la première valeur seuil, au-delà de laquelle l'élément de roulement 5 n'est plus au contact de la demi-bague externe 4B, et donc à partir de laquelle le palier permet un débattement radial défini par le jeu J. 1 5 Ainsi, on définit les modes de fonctionnement suivants pour ce mode de réalisation : - Lorsque la résultante des efforts axiaux est inférieure à la première valeur seuil, le palier est embrayé, et présente un fonctionnement de roulement à 3 points de contact. 20 - Lorsque la résultante des efforts axiaux est supérieure à la première valeur seuil mais inférieure à la seconde valeur seuil, le palier est dans une configuration intermédiaire, et permet un débattement axial du rotor, tout en réalisant un maintien radial. Lorsque la résultante des efforts axiaux est supérieure à la 25 seconde valeur seuil, le palier est en configuration débrayée, et permet alors un débattement radial et axial. Les différents modes de réalisation présentent donc un palier présentant au moins deux modes de fonctionnement, le basculement entre les deux 30 modes de fonctionnement étant calibré au moyen d'une valeur seuil d'effort axial définie notamment par l'organe de pré-charge 6 : 3057311 13 Lorsque l'effort axial est inférieur à cette valeur seuil, le palier fonctionne alors en roulement avec trois points de contact, et est dans un état potentiellement instable du fait de son basculement possible dans la seconde configuration décrite ci-après. 5 Lorsque l'effort axial est supérieur à cette valeur seuil, la suspension radiale du rotor par le palier est modifiée, ce qui permet d'augmenter la capacité de reprise axiale de la machine tournante selon une direction donnée. 10 Le système tel que présenté est réversible ; il peut donc passer de la configuration embrayée à la configuration débrayée, et inversement, et le cas échéant en passant par la configuration intermédiaire. Le palier proposé permet ainsi de réaliser au moyen d'un composant 15 unique une pluralité de fonctions, à savoir réaliser un centrage et présenter un fonctionnement de roulement pour une direction privilégiée (représentée par la flèche F sur le figures), et un fonctionnement libre en radial pour la direction opposée. 20 Comme pour le mode de réalisation présenté en référence aux figures 3 et 4, l'organe de pré-charge 6 permet ainsi de charger le rotor, de sorte que l'effort transite par le rotor et non pas par l'épaulement, mais également de plaquer les demi-bagues externes contre les éléments de roulement 5, annulant ainsi le jeu interne du palier. Cela permet ainsi 25 d'améliorer le maintien des éléments de roulement 5 du palier, notamment lors du transport, et également d'augmenter le couple lorsque le palier est en configuration embrayée, ce qui permet par exemple de freiner le palier lorsqu'il est à l'arrêt. 30 Le palier proposé permet ainsi de répondre à des contraintes de fonctionnement spécifiques pouvant notamment intervenir lors de l'utilisation de la machine tournante pour des domaines de fonctionnement étendus. REVENDICATIONS1. Palier pour machine tournante selon une direction axiale (Z-Z), comprenant une bague interne (3) montée autour d'un arbre (1) de la machine tournante, et une bague externe (4) montée dans un carter (2), entre lesquelles sont disposés des éléments de roulement (5), dans lequel la bague interne (3) est montée autour de l'arbre (1) et est maintenue fixe en translation selon la direction axiale (Z-Z), la bague externe (4) est montée dans un logement du carter (2), et maintenue en appui contre un épaulement (7) du carter (2) au moyen d'un organe de pré-charge (6) d'une part, caractérisé en ce que lorsque la résultante de l'effort axial sur la partie tournante de la machine tournante est inférieure à une valeur seuil, ledit palier forme 1 5 une butée axiale et radiale de l'arbre (1) par rapport au carter (2), lorsque la résultante de l'effort axial sur la partie tournante de la machine tournante est supérieure à une valeur seuil, ledit palier permet un débattement axial et radial entre l'arbre (1) et le carter (2). 20 2. Palier selon la revendication 1, dans lequel lorsque la résultante de l'effort axial sur la partie tournante de la machine tournante est supérieure à une valeur seuil définie par l'organe de pré-charge (6), ledit palier réalise une fonction de reprise des efforts axiaux entre l'arbre (1) et le carter (2). 25 3. Palier selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre un système de chargement (34) adapté pour exercer un effort de charge axiale entre le carter (2) et l'arbre (1) s'opposant à l'effort de pré-charge exercé par l'organe de pré-charge (6). 30 4. Palier selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la bague externe (4) est disposée dans un logement du carter (2), ladite bague externe (4) présentant au moins une portion dont le diamètre externe 3057311 16 est strictement inférieur au diamètre interne dudit logement du carter (2). 5. Palier selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la bague 5 interne (3) comprend deux demi-bagues internes montées successivement autour de l'arbre (1) selon la direction axiale (Z-Z), et maintenues en appui l'une contre l'autre. 6. Palier selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la bague 10 externe (4) comprend deux demi-bagues externes montées successivement selon la direction axiale (Z-Z), l'une au moins desdites demi-bagues externes (4A, 4B) présentant un diamètre externe strictement inférieur au diamètre interne dudit logement du carter (2). 7. Palier selon la revendication 6, dans lequel l'une (4A) des demi- bagues externe (4A, 4B) est maintenue en appui contre les éléments de roulement (5) par le système de pré-charge (6), et l'autre (4B) des demi-bagues externes est couplée à un élément de rappel (43) tendant à l'écarter de l'autre (4A) des demi-bagues. 8. Palier selon la revendication 6, dans lequel l'une (4A) des demi-bagues externe (4A, 4B) est maintenue en appui contre les éléments de roulement (5) par le système de pré-charge (6), et l'autre (4B) des demi-bagues est couplée à un élément de rappel (44) en appui sur le carter (2), tendant à le déplacer vers la première demi-bague (4A). 9. Palier selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ledit organe de pré-charge (6) est monté en parallèle d'une butée (42), de sorte que le débattement axial de la bague externe (4) est limité d'une part par l'épaulement (7) et d'autre part par ladite butée (42). 10. Turbopompe d'engin spatial, comprenant un palier selon l'une des revendications 1 à 9.