Brevet FR3103859A1 — publié le 20210604

L’invention concerne un ensemble (34, 72) d’axe longitudinal comprenant : - un arbre (38) et une partie statorique (40), - un premier palier (42, 44) comprenant une bague interne (42a, 44a) et une bague externe (42b, 44b) fixées pour l’une à l’arbre (38) et pour l’autre à la partie statorique (40), - un second palier (42, 44) espacé axialement du premier palier (42, 44) et comprenant une bague interne (42a, 44a) et une bague externe (42b, 44b) fixée à pour l’une à l’arbre et l’autre à la partie statorique (40), dans lequel des premiers moyens élastiques (62) assurent une précontrainte sur une première face axiale (58) de l’une première statorique des bagues interne (42a, 44a) et externe (42b, 44b) du premier palier (42, 44) de manière à maintenir ladite première bague statorique du premier palier (42, 44) à distance axiale avec un jeu J avec une butée axiale (58, 80) de la partie statorique (40), ce jeu étant apte à être consommé en cas d’inversion de poussée. Figure à publier avec l’abrégé : figure 3 Dispositif d’équilibrage Domaine technique de l’invention Le présent document concerne un ensemble à paliers de roulement pour turbomachine. Etat de la technique antérieure Classiquement, une turbomachine comprend des parties statoriques et des arbres reliés ensemble par des paliers de guidage. Compte tenu des vitesses de rotation élevées, les rotors de turbomachine sont le plus souvent indexés axialement par des roulements à billes. Il existe un besoin pour réduire le déplacement de l’arbre sous charge ainsi que lors des inversions de poussée afin que de réduire les jeux des aubages et ainsi améliorer les performances des composants de la turbomachine. Dans le passé les efforts ont principalement porté sur le roulement lui-même et ont visé à réduire le jeu radial dans le palier par optimisation de la géométrie interne et en créant des ogives sur les pistes de roulement, c’est-à-dire en formant des surfaces de roulement non circulaires alors que les éléments roulants sont des sphères. Pour réduire d’avantage le jeu axial il faudrait pouvoir maîtriser les températures des pièces ce qui n’est pas réaliste compte tenu du très large spectre de situations de vie subies par le roulement. La figure 1 illustre un montage classique à pré-charge rigide comprenant un premier palier amont 10 et un second palier 12 aval comportant chacun une bague annulaire interne 14, 16 et une bague annulaire externe 18, 20. Les bagues annulaires internes 14, 16 sont fixées à l’arbre 22 et les bagues annulaires externes 18, 20 sont fixées à une partie statorique 24. Une entretoise annulaire interne 26 est serrée entre les bagues annulaires interne 14, 16 et une entretoise annulaire externe 28 est serrée entre les bagues annulaires externes 18, 20. Pour résoudre la difficulté précitée, la solution la plus couramment utilisée et la plus efficace consiste à pré-charger les roulements des deux paliers, ce qui conduit au raidissement de l’ensemble et à l’annulation du jeu de fonctionnement. L’effort appliqué correspond à l’écrasement des contacts entre les roulements ou corps roulants 30 et les pistes de roulements. On parle de pré-charge rigide dans cette configuration. Cette solution présente l’inconvénient d’être très instable thermiquement et son implantation dans un environnement variable comme une turbine aéronautique est très problématique. Le montage présenté en figure 1, qui illustre un montage en pré-charge rigide, est en configuration « O » par référence à l’orientation des axes de reprise d’efforts des éléments roulants. (Les configurations en « O » présentées sont à titre d’exemple, des montages en « X » peuvent également exister). On constate que le roulement qui subit la charge axiale reprend également la pré-charge. La flèche A illustre le chemin d’effort axial. La figure 2 illustre une pré-charge souple dans laquelle des moyens élastiques 32 sont intercalés et contraints entre les bagues annulaires externes 18, 20 des paliers en remplacement de l’entretoise externe 28 de la figure 1. Ce montage s’avère tolérant aux variations de conditions de fonctionnement mais elle ne permet pas de limiter les déplacements sous forte charge car le chemin d’effort illustré par la flèche B passe par l’élément de pré-charge, c’est-à-dire les moyens élastiques. Tout dispositif de pré-charge souple génère des déplacements élevés lorsque la charge axiale externe le sollicite en compression (en cas des inversions de poussée). Le présent document concerne un ensemble d’axe longitudinal comprenant : - un arbre et une partie statorique, - un premier palier comprenant une bague interne et une bague externe fixées pour l’une à l’arbre et pour l’autre à la partie statorique, - un second palier espacé axialement du premier palier et comprenant une bague interne et une bague externe fixée pour l’une à l’arbre et l’autre à la partie statorique, dans lequel des premiers moyens élastiques assurent une précontrainte sur une première face axiale de l’une première des bagues interne et externe du premier palier de manière à maintenir ladite première bague statorique du premier palier à distance axiale avec un jeu J d’une butée axiale appartenant à l’arbre ou à la partie statorique sur laquelle la première bague est fixée, ce jeu étant apte à être consommé en cas d’inversion de poussée. Selon le présent document, on introduit une pré-charge négative c’est-à-dire qu’on laisse subsister un jeu axial entre les premières bagues des paliers. La précontrainte des moyens élastiques est tel qu’elle permet d’avoir un jeu axial correspondant aux incertitudes liées aux dilatations thermiques axiales. Avec ce montage, le déplacement est très fortement réduit et se rapproche de la solution optimale correspondant à une pré-charge rigide classique. Ce montage avec pré-charge rigide négative présente cependant un inconvénient majeur c’est que le roulement fonctionnant avec jeu n’est plus chargé et que son endommagement par glissement est probable sans parler des risques de dégradation en transitoire lorsque la charge s’inverse à haute vitesse. C’est pour cette raison que l’on propose d’intégrer une pré-charge souple inversée (du fait du positionnement des moyens élastiques) qui permettra de fiabiliser le fonctionnement du roulement non chargé. Cette pré-charge pourra être appliquée sur un des roulements ou sur les deux selon les cas d’inversion de poussée à réaliser. Ladite première face axiale peut être opposée à une seconde face axiale en vis-à-vis axial d’une première des bagues interne et externe du second palier, ladite première bague du second palier étant portée par la même pièce parmi l’arbre et la partie statorique portant la première bague du premier palier. Des seconds moyens élastiques peuvent être montés précontraints sur une première face axiale de la première bague statorique du second palier, ladite première face axiale étant opposée à une seconde face axiale en vis-à-vis axiale de la première bague statorique du premier palier. Ladite première face axiale de la première bague du premier palier peut être agencée en vis-à-vis axial d’une première statorique des bagues interne et externe du second palier. Selon une autre caractéristique, la première bague peut être une bague statorique. La première bague peut être une bague externe, laquelle peut être statorique ou fixée sur l’arbre. Une entretoise annulaire peut être montée serrée entre des secondes bagues du premier et du second palier. Les moyens élastiques peuvent être des ressorts hélicoïdaux précontraints axialement, ces moyens élastiques pouvant également être des rondelles telles que des rondelles dites « belleville » ou encore des rondelles présentant des ondulations autour de leur axe. En pratique, on pourra utiliser tout organe élastique pouvant être utilisable pour exercer une contrainte en direction axiale. Les ressorts peuvent être montés dans des logements annulaires. Les bagues internes peuvent être fixées à l’arbre et les bagues externes sont fixées à la partie statorique. Le présent document concerne également une turbomachine, telle qu’un turboréacteur d’avion, comprenant un ensemble tel que décrit précédemment. Brève description des figures , déjà décrite précédemment, illustre un montage à pré-charge rigide ; , déjà décrite précédemment, illustre un montage à pré-charge souple ; illustre une première réalisation de l’invention ; illustre une seconde réalisation de l’invention. Description détaillée de l’invention On se réfère maintenant à la figure 3 qui illustre un ensemble 34 d’axe longitudinal 36 selon l’invention comprenant un arbre 38 par exemple un arbre de turbine d’une turbomachine et une partie annulaire statorique 40 agencée autour de l’arbre 38. Bien que la description sera réalisée en référence à cet agencement, on comprend que l’invention est également applicable à une configuration dans laquelle l’arbre est agencé à l’extérieur et la partie annulaire statorique est à radialement à l’intérieur. L’ensemble 34 comprend un palier amont 42 et un palier aval 44. Le palier amont 42 comprend une bague annulaire interne 42a amont et une seconde bague annulaire 42b externe amont. Le palier aval 44 comprend une bague annulaire interne 44a aval et une bague annulaire 44b externe aval. Chaque palier 42, 44 comprend des roulements 46 à billes qui roulent sur des pistes annulaire interne 48, 50 et externe des bagues interne 42a, 44a et externe 44a, 44b. Une entretoise annulaire 52 est intercalée axialement entre la bague annulaire interne 42a amont et la bague annulaire interne aval 44a. On observe la présence d’une nervure annulaire amont 54 et d’une nervure annulaire 46 aval portée par l’arbre 38. La nervure annulaire amont 54 et la nervure annulaire aval 56 permettent de bloquer axialement les bagues annulaires interne amont 42a et aval 44a. Selon le présent document, une première face 58 d’une première statorique des bagues annulaires externe 44b (mais qui pourrait aussi être un bague interne) est agencée à une distance axiale J d’une butée axiale de la partie statorique 40. Dans le cas illustré, il s’agit de la bague annulaire externe 44b aval qui est agencée avec un jeu axial J à distance axiale de la butée axiale 60 de la partie annulaire statorique 40. En fonctionnement nominal, la bague annulaire externe 44b aval est maintenue à distance de cette butée 60 grâce à des premiers moyens élastiques 62 précontraints axialement sur la première face 58 annulaire de la bague annulaire externe aval 44b. La première face 58 axiale est opposée à une seconde face 64 axiale de la bague aval externe du palier aval 44, cette seconde face 64 axiale est en vis-à-vis axial de la bague statorique externe 44b du second palier ou palier amont 42. L’intégration de premiers moyens élastiques 62 permet de réaliser une précharge souple inversée qui permet de fiabiliser le fonctionnement du roulement non chargé. Le montage proposé se caractérise ainsi par une précharge rigide négative, c’est-à-dire avec un jeu axial sur la bague qui n’est pas sollicité pour le passage des efforts en nominal. Le chemin des efforts est visibe sur la figure 3 avec la flèche. En cas d’inversion de poussée, les premiers moyens élastiques 62 ne permettent plus de maintenir le jeu J qui est ainsi consommé jusqu’à ce que la première face 58 vienne en contact avec la butée 60 axial statorique. On observe la présence de seconds moyens élastiques 66 montés précontraints sur une première face axiale 68 de la bague statorique 42b du palier amont 42, ladite première face axiale 68 étant opposée à une seconde face 70 en vis-à-vis axial de la seconde face 64. Les premiers 62 et seconds 66 moyens élastiques sont des ressorts hélicoïdaux précontraints axialement et qui sont montés dans des logements 72 de la partie statorique 40. La flèche C illustre le chemin d’effort en mode nominal. La figure 4 illustre une autre réalisation d’un ensemble 72 de l’invention comprenant également des paliers amont 42 et aval 44 ayant chacun des bagues annulaires interne 42a, 44a et externe 42b, 44b. Dans cette configuration, la bague annulaire externe 44b du palier aval 44 est bloquée axialement vers l’amont sur un épaulement annulaire 74 externe de la partie statorique 40 et vers l’aval par un organe de serrage 76. La bague annulaire interne 44a est bloquée axialement vers l’amont sur un épaulement annulaire interne 78 de l’arbre 38 qui peut être un arbre de soufflante et vers l’aval par la bague interne 42a du premier palier ou palier amont 42. La bague interne 42a du palier amont 42 est ici également bloquée vers l’aval de même que sa bague externe 42b. Dans cette configuration, les premiers moyens élastiques 62 sont précontraints agencés entre les deux bagues annulaires externe 44a, 44b des paliers 42, 44. Un jeu J est maintenu entre les deux bagues externe 442b, 44b en fonctionnement et la bague annulaire externe 42b du palier amont 42 vient en butée sur la bague annulaire aval en cas d’inversion de poussée de manière à obtenir une butée rigide. Dans cette configuration, c’est la face amont 80 de bague externe 44b du palier aval 44 qui sert de butée axiale à la bague annulaire externe 42b du palier amont 42. La présente divulgation s’applique également à des configurations dans lesquelles l’arbre entoure extérieurement la partie statorique. Par ailleurs, la première bague maintenue à distance axiale avec un jeu J annulaire et associées à des moyens élastiques peut être une bague interne ou une bague externe et peut être sur l’arbre ou sur la partie statorique, lequel arbre peut être entouré par la partie statorique ou entourer la partie statorique. Ensemble (34, 72) d’axe longitudinal comprenant : - un arbre (38) et une partie statorique (40), - un premier palier (42, 44) comprenant une bague interne (42a, 44a) et une bague externe (42b, 44b) fixées pour l’une à l’arbre (38) et pour l’autre à la partie statorique (40), - un second palier (42, 44) espacé axialement du premier palier (42, 44) et comprenant une bague interne (42a, 44a) et une bague externe (42b, 44b) fixée pour l’une à l’arbre et l’autre à la partie statorique (40), dans lequel des premiers moyens élastiques (62) assurent une précontrainte sur une première face axiale (58) de l’une première des bagues interne (42a, 44a) et externe (42b, 44b) du premier palier (42, 44) de manière à maintenir ladite première bague du premier palier (42, 44) à distance axiale avec un jeu J d’une butée axiale (58, 80) appartenant à l’arbre ou à la partie statorique (40) sur laquelle ladite première bague est fixée, ce jeu étant apte à être consommé en cas d’inversion de poussée. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel ladite première face (58) axiale est opposée à une seconde face axiale en vis-à-vis axial d’une première des bagues interne (42a, 44a) et externe (42b, 44b) du second palier (42, 44). Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel des seconds moyens (62) élastiques sont montés précontraints sur une première face axiale (68) de la première bague du second palier (42), ladite première face axiale (68) étant opposée à une seconde face axiale en vis-à-vis axiale de la première bague statorique (44b) du premier palier (44). Ensemble selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première bague est une bague statorique. Ensemble selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première bague est une bague externe. Ensemble selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une entretoise annulaire (52) est montée serrée entre des secondes bagues du premier et du second palier. Ensemble selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens élastiques (62, 66) sont des ressorts hélicoïdaux, des rondelles par exemple ondulées, précontraints axialement. Ensemble selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les ressorts sont montés dans des logements annulaires. Turbomachine, telle qu’un turboréacteur d’avion, comprenant au moins un ensemble selon l’une des revendications précédentes.