Brevet FR3151627A1 — publié le 20250131

Dispositif auto-centreur pour le centrage de pièces rotor Dispositif de centrage (1) pour une pièce rotor interne (2) et une pièce rotor externe (3) concentriques et centrées autour d’un axe longitudinal (X-X’), ledit dispositif comprenant au moins trois rainures (6) équipées chacune d’une cale mobile (5). Chaque rainure (6) est située sur une face radiale externe (7) de la pièce rotor interne (2) et présente un fond (10) incliné où une cale mobile (5) est montée coulissante longitudinalement entre une position basse où elle est à distance de la pièce rotor externe (3) et une position haute où elle est en appui d’immobilisation axiale à la fois contre le fond (10) de la rainure (6) où elle est logée et contre une face interne (11) de la pièce rotor externe (3). Les rainures (6) équipées chacune d’une cale mobile (5) sont réparties radialement autour de l’axe (X-X’). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1 Dispositif auto-centreur pour le centrage de pièces rotor DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui des dispositifs de centrage prévu entre deux pièces rotor concentriques pour le centrage desdites pièces. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Dans une machine tournante, par exemple une turbomachine, des pièces rotor sont habituellement frettées sur les arbres afin qu’elles conservent leur centrage en fonctionnement pour ne pas générer de balourd et assurer des appuis à certaines stations axiales pour optimiser le comportement de dynamique d’ensemble. Cependant, le montage par frettage complique considérablement le montage et le démontage des pièces rotor. En outre, l’efficacité du centrage d’un montage par frettage varie en fonction du régime de la machine tournante et de la température des pièces ainsi assemblées. En effet, un régime élevé peut provoquer la rotation d’une pièce rotor par rapport à l’autre pièce rotor avec laquelle elle est frettée, et une forte dilatation thermique d’une pièce rotor externe peut créer un jeu non souhaité entre cette pièce et la pièce rotor interne sur laquelle elle est frettée. Il existe donc un besoin pour un dispositif permettant de maintenir un centrage de pièces rotor concentriques, mais sans utiliser de frettage entre celles-ci. Un tel dispositif de centrage est notamment prévu dans une partie s’étendant longitudinalement où les deux pièces rotor sont à distance l’une de l’autre. Afin d’offrir une solution aux problèmes évoqués précédemment, l’invention fournit un dispositif de centrage prévu entre deux pièces rotor et dont le principe de fonctionnement repose à la fois sur l’utilisation de l’effort centrifuge des pièces rotor sujettes à rotation et sur l’utilisation des vibrations subies par lesdites pièces rotor pour déplacer des cales mobiles le long d’une rampe inclinée jusqu’à une position haute de coincement où lesdites cale mobiles maintiennent radialement les deux pièces rotor en position centrée. Un aspect de l’invention concerne un ensemble formé d’une pièce rotor interne, d’une pièce rotor externe et d’un dispositif de centrage pour les pièces rotor, les deux pièces rotor étant concentriques et centrées autour d’un axe longitudinal X-X’, assemblées l’une avec l’autre et présentant une partie s’étendant longitudinalement où les deux pièces rotor sont à distance l’une de l’autre, le dispositif de centrage étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins trois rainures équipées chacune d’une cale mobile, et en ce que : chaque rainure est située sur une face radiale externe de la pièce rotor interne ou sur la face radiale externe d’une bague rainurée fixée sur la face radiale externe de la pièce rotor interne, dans la partie où les deux pièces rotor sont à distance l’une de l’autre ; chaque rainure présente un fond incliné longitudinalement d’un angle α par rapport à l’axe X-X’ et formant une rampe de coulissement pour une cale mobile ; chaque cale mobile est montée coulissante longitudinalement dans une rainure entre une position basse où elle est à distance de la pièce rotor externe et une position haute où elle est en appui à la fois contre le fond et contre une face interne de la pièce rotor externe ; chaque cale mobile présente une face interne de coulissement en appui contre le fond et une face externe de coincement en regard de la face interne de la pièce rotor externe, la face interne de coulissement étant inclinée longitudinalement d’un angle β par rapport à la face externe de coincement ; et les rainures équipées chacune d’une cale mobile sont réparties radialement autour de l’axe. Grâce à l’invention, lorsque les pièces rotor sont entraînées à rotation, les cales mobiles sont déplacées radialement vers l’extérieur et, avec les vibrations desdites pièces rotor, coulissent dans le fond de la rainure où chacune est logée depuis leur position basse, c’est-à-dire dans la partie la moins élevée de la rainure (là où les rebords bordant la rainure sont les plus hauts), vers leur position haute, c’est-à-dire en direction de la partie surélevée de la rainure (là où les rebords bordant la rainure sont les moins hauts). Arrivées en position haute, les cales mobiles se coincent entre le fond de la rainure et la face interne de la pièce rotor externe, et viennent par conséquent immobiliser radialement les deux pièces rotor en position centrée afin d’empêcher qu’elles ne se décentrent. L’invention permet également de monter des pièces rotor avec un jeu qui est comblé lors de la mise en rotation desdites pièces rotor. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, l’ensemble selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : Au moins une cale mobile présente des reliefs orientés sur sa face externe de coincement. Des reliefs orientés sont sous la forme de dents, de barbillons ou de lames incliné(e)s, ces reliefs orientés étant inclinés dans la direction opposée à la direction selon laquelle le fond est incliné. L’angle α est compris entre 0,1 et 30 degrés, préférentiellement compris entre 0,5 et 15 degrés et préférentiellement compris entre 1 et 5 degrés. L’angle β est compris entre 0,1 et 30 degrés, préférentiellement compris entre 0,5 et 15 degrés et préférentiellement compris entre 1 et 5 degrés. L’angle α et l’angle β ont la même valeur absolue. Au moins une cale mobile est rigide et présente une limite d’élasticité comprise entre 1800 et 2500 MPa, préférentiellement comprise entre 1900 et 2300 MPa et plus préférentiellement comprise entre 1950 et 2050 MPa. Au moins une cale mobile est en acier, en carbure de silicium ou en inconel. Au moins une cale mobile et la rainure dans lequel elle coulisse sont de forme générale parallélépipédique. Les cales mobiles et les rainures dans lesquels elles coulissent sont répartis uniformément et radialement autour de l’axe X-X’. Un autre aspect de l’invention concerne une machine tournante comportant un ensemble tel que précédemment décrit. L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Sur les figures, les dimensions sont données à titre illustratif uniquement, certaines distances entre les pièces étant volontairement exagérées pour plus de clarté. est une vue partielle schématique en coupe longitudinale de deux pièces rotor concentriques équipées d’un exemple de dispositif de centrage selon l’invention, où une cale mobile est représentée en position basse au fond d’une rainure. est une vue similaire à où la cale mobile est représentée en position intermédiaire et déplacée radialement vers l’extérieur par l’effort centrifuge. est une vue similaire à où la cale mobile est représentée en position haute, où les deux pièces rotor sont immobilisées radialement en position centrée. est une vue partielle schématique en perspective illustrant une cale mobile et une rainure à l’état dissocié. est une vue schématique en coupe transversale de deux pièces rotor concentriques équipées d’un exemple de dispositif de centrage selon l’invention comprenant six cales mobiles représentées en position basse. est une vue similaire à où les six cales mobiles sont en position haute. est une vue schématique en coupe transversale de deux pièces rotor concentriques équipées d’un exemple de dispositif de centrage selon l’invention comprenant quatre cales mobiles représentées en position basse. est une vue schématique en coupe transversale de deux pièces rotor concentriques équipées d’un exemple de dispositif de centrage selon l’invention comprenant trois cales mobiles représentées en position basse. de deux pièces rotor concentriques équipées d’un exemple de dispositif de centrage selon l’invention, où la pièce rotor externe est un tourillon monté sur la pièce rotor interne par des cannelures et immobilisé longitudinalement par un écrou fileté vissé sur la pièce rotor interne. DESCRIPTION DETAILLEE Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. Par convention, dans la présente demande, le terme « longitudinal » ou « axial » correspond à une direction parallèle à l’axe longitudinal X-X’ selon lequel s’étend la turbomachine, tandis que par le terme « radial » on entend une direction dirigée selon un rayon, c'est-à-dire sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal X-X’. En outre, dans la présente demande, les termes « intérieur » et « extérieur », et « interne » et « externe » sont définis radialement par rapport à l'axe longitudinal X-X’. Ainsi, une pièce cylindrique s'étendant selon l'axe longitudinal X-X’ comporte une face radiale intérieure/interne tournée vers l'axe longitudinal X-X’ de la turbomachine et une face radiale extérieure/externe, opposée à sa face intérieure et tournée vers l’extérieur. On notera que l’axe longitudinal X-X’ est le même pour les pièces rotor citées dans la description. Comme cela est représenté sur à , l’invention concerne un dispositif de centrage 1 prévu entre deux pièces rotor 2, 3 concentriques et centrées autour d’un axe X-X’, à savoir une pièce rotor interne 2 et une pièce rotor externe 3 située autour de la pièce rotor interne 2. L’invention concerne également un ensemble 4 comprenant deux pièces rotor 2, 3 et un dispositif de centrage 1. Les deux pièces rotor 2, 3 sont assemblées l’une avec l’autre au niveau d’une partie non illustrée sur les figures, cet assemblage pouvant présenter un certain jeu, et sont à distance l’une de l’autre dans une autre partie s’étendant longitudinalement et illustrée sur les figures. Le dispositif de centrage 1 est prévu dans cette autre partie afin de maintenir le centrage des pièces rotor 2, 3 entre elles autour de l’axe X-X’. En l’absence de ce dispositif de centrage 1, un décentrage et/ou désaxage d’une des pièces rotor 2, 3 peut notamment entraîner un balourd dans la machine tournante comportant lesdites pièces rotor 2, 3. Les deux pièces rotor 2, 3 sont préférentiellement des pièces de révolution, par exemple de section ronde. La pièce rotor externe 3 peut par exemple être un disque, un anneau, un tourillon, ou tout autre pièce assemblée avec une pièce rotor interne 2 et se prolongeant longitudinalement selon l’axe X-X’ de ces pièces rotor 2, 3. La pièce rotor interne 2 peut être pleine ou creuse. Par exemple, il peut s’agir d’un disque ou d’un anneau, mais aussi d’un arbre ou d’un axe rotatif. Le dispositif de centrage 1 se particularise en ce qu’il comprend des cales mobiles 5 montées chacune dans une rainure 6. Chaque cale mobile 5 est logée dans une rainure 6 de sorte de pouvoir y coulisser longitudinalement. Tel que représenté sur à , chaque rainure 6 peut être prévue dans la face radiale externe 8 d’une bague rainurée 9 fixée sur la face radiale externe 7 de la pièce rotor interne 2, par exemple par frettage. Tel que représenté sur à , chaque rainure 6 peut également être conformée directement dans la face radiale externe 7 de la pièce rotor interne 2. Cela peut cependant fragiliser la pièce rotor interne 2. Chaque rainure 6 est située dans la partie où les deux pièces rotor 2, 3 sont à distance l’une de l’autre. Les rainures 6 équipées chacune d’une cale mobile 5 sont préférentiellement réparties radialement autour de l’axe X-X’, notamment afin d’éviter des balourds dans la pièce rotor interne 2. Comme cela est illustré à titre d’exemple sur à , les cales mobiles 5 et les rainures 6 dans lesquels elles coulissent sont préférentiellement réparties uniformément et radialement autour de l’axe X-X’. Chaque rainure 6 présente un fond 10 incliné longitudinalement d’un angle α par rapport à l’axe X-X’ et formant une rampe de coulissement pour la cale mobile 5 dont elle est équipée. Le fond 10 présente ainsi un point bas dans la partie basse de ladite rainure 6 (à gauche sur les figures) et un point haut dans la partie haute de celle-ci (à droite sur les figures). L’angle α est par exemple compris entre 0,1 et 30 degrés, préférentiellement compris entre 0,5 et 15 degrés et préférentiellement compris entre 1 et 5 degrés. Cette angle α étant faible, on peut considérer que chaque cale mobile 5 coulisse longitudinalement dans une rainure 6 selon un axe sensiblement parallèle à l’axe X-X’. Comme représenté sur , lorsque les rainures 6 sont conformées chacune dans une bague rainurée 9, le fond 10 de chaque rainure 6 présente une hauteur h au point bas et une hauteur H au point haut, avec H > h. Sur apparaissent également la hauteur radiale moyenne E d’une cale mobile 5, ainsi que la distance radiale D séparant des pièces rotor 2, 3 centrées dans la partie où elles sont à distance l’une de l’autre. La hauteur radiale moyenne E est obtenue en faisant la moyenne entre la distance de la face interne de coulissement 12 à la face externe de coincement 13 de la cale mobile 5 au niveau de son extrémité la plus haute, et la distance de la face interne de coulissement 12 à la face externe de coincement 13 de la cale mobile 5 au niveau de son extrémité la plus basse. Chaque cale mobile 5 est montée coulissante longitudinalement dans une rainure 6 entre une position basse, située dans la partie basse de la rampe de coulissement, où elle est à distance de la pièce rotor externe 3 (cf. ) et une position haute, située dans la partie haute de la rampe de coulissement, où elle est en appui à la fois contre le fond 10 et contre une face radiale interne 11 de la pièce rotor externe 3 . Une position intermédiaire est représentée sur . Ainsi, en position basse, chaque cale mobile 5 peut se déplacer librement radialement entre le fond 10 de la rainure 6 où elle est logée et la face radiale interne 11 de la pièce rotor externe 3, tandis que dans sa position haute chaque cale mobile 5 est coincée entre le fond 10 de la rainure 6 et la face radiale interne 11 de la pièce rotor externe 3, immobilisant radialement les deux pièces rotor en position centrée afin d’éviter qu’elles ne se décentrent. Dans ce but, on a : h + E H + E > D. Une géométrie équivalente existe dans le cas où les rainures 6 sont directement conformées sur la face radiale externe 7 de la pièce rotor interne 2. Ainsi, si on désigne par P la profondeur des rainures 6 dans leur partie la plus profonde, et par p la profondeur des rainures 6 dans leur partie la moins profonde, avec P > p (cf. ), on a : E - P E - p > D. Chaque cale mobile 5 présente une face interne de coulissement 12 (face inférieure) prévue pour être en appui contre le fond 10 et une face externe de coincement 13 (face supérieure) située en regard de la face radiale interne 11 de la pièce rotor externe 3 et venant en contact contre celle-ci en position haute. La face interne de coulissement 12 est inclinée longitudinalement d’un angle β par rapport à la face externe de coincement 13 (cf. ). L’angle β est par exemple compris entre 0,1 et 30 degrés, préférentiellement compris entre 0,5 et 15 degrés et préférentiellement compris entre 1 et 5 degrés. Préférentiellement, l’angle β et l’angle α ont la même valeur absolue, de sorte que lorsque les cales mobiles 5 sont en position haute, leur face interne de coulissement 12 soit parallèle au fond 10 de la rainure 6 dans laquelle elles sont logées et leur face externe de coincement 13 soit parallèle à la face radiale interne 11 de la pièce rotor externe 3, pour une plus grande surface de frottement de la cale mobile 5 avec le fond 10 et la pièce rotor externe 3, et donc une meilleure immobilisation radiale des deux pièces rotor 2, 3. Chaque cale mobile 5 présente préférentiellement des reliefs orientés 14 sur sa face externe de coincement 13, ces reliefs ayant pour but de favoriser le déplacement axial des cales mobiles 5 vers le position haute lorsqu’elles sont soumises à des vibrations. Par reliefs orientés 14 on entend des formes en reliefs conformées sur la face externe de coincement 13 des cales mobiles 5 et présentant une partie inclinée orientée longitudinalement de sorte que lorsque les cales mobiles 5 viennent buter contre la face radiale interne 11 de la pièce rotor externe 3 sous l’effet des vibrations, ces reliefs orientés 14 tendent à inciter les cales mobiles 5 à remonter la rampe du fond 10 des rainures 6 et donc à se déplacer en direction de leur position haute. Les reliefs orientés 14 sont préférentiellement sous la forme de dents 15 inclinées, de barbillons inclinés ou de lames inclinées, lesdits reliefs orientés 14 étant inclinés dans la direction opposée à la direction selon laquelle le fond 10 est incliné. Les reliefs orientés 14 sont préférentiellement inclinés dans la direction opposées à celui du montage des cales mobiles 5 dans leur rainure 6 respective. Les cales mobiles 5 sont préférentiellement rigides dans les conditions normales d’utilisation, et présentent par exemple une limite d’élasticité comprise entre 1800 et 2500 MPa, préférentiellement comprise entre 1900 et 2300 MPa et plus préférentiellement comprise entre 1950 et 2050 MPa. Les cales mobiles 5 peuvent par exemple être en métal ou en céramique. Elles sont préférentiellement en acier, en carbure de silicium ou en inconel. Les cales mobiles 5 et les rainures 6 dans lesquelles elles coulissent sont préférentiellement de forme générale parallélépipédique, c’est-à-dire de forme globale parallélépipédique, avec quelques légères variations dimensionnelles possibles qui altèrent sensiblement la forme générale parallélépipédique. Ainsi, les flancs latéraux des rainures 6 sont préférentiellement évasés vers l’extérieur de sorte de guider le déplacement des cales mobiles 5 lorsqu’elles retournent dans le fond 10 de la rainure 6 dans laquelle elles sont logées (cf. ). Les rainures 6 présentent ainsi un profil en coupe trapézoïdale, mais leur forme générale, même s’il s’agit d’un prisme droit dont une base est un trapèze isocèle, reste sensiblement parallélépipédique au sens de l’invention. Comme cela est représenté sur et , lorsque les pièces rotor 2, 3 sont au repos, les cales mobiles 5 de l’invention sont en position basse, en appui dans le fond 10 de leur rainure 6 respective. Lorsque les pièces rotor 2, 3 sont entraînées à rotation autour de l’axe X-X’, sous l’action de la force centrifuge, les cales mobiles 5 de l’invention se déplacent radialement vers l’extérieur, en direction de la pièce rotor externe 3, et sous l’effet des vibrations, se déplacent axialement vers le haut de la rampe, vers leur position haute (cf. et ), ce déplacement étant encouragé par la présence des reliefs orientés 14 des cales mobiles 5. Enfin, les cales mobiles 5 de l’invention atteignent leur position haute, où elle se coincent par frottement entre les pièces rotor 2, 3 de sorte de les immobiliser radialement en position centrée (cf. ). Le démontage des pièces rotor 2, 3 est simple, il suffit de tirer axialement sur la pièce rotor externe 3 dans la direction opposé à la partie haute de la rampe. Les cales mobiles 5 sont alors entraînées par la pièce rotor externe 3 et s’extraient facilement du fait des portées inclinées. Comme cela est représenté sur , le dispositif de centrage 1 comprend au moins trois cales mobiles 5 afin que, lorsque les cales mobiles 5 sont en position haute, les pièces rotor 2, 3 soient mutuellement immobilisées dans toutes les positions radiales. Comme cela est représenté à titre d’exemple sur à , le dispositif de centrage 1 peut comprend n’importe quelle nombre de cales mobiles 5, tant que ce nombre est supérieur ou égal à trois. Un exemple concret d’utilisation d’un dispositif de centrage 1 selon l’invention est illustré sur , où la pièce rotor interne 2 est un arbre, où la pièce rotor externe 3 est un tourillon et où les rainures 6 sont conformées chacune dans une bague rainurée 9 frettée sur la pièce rotor interne 2, la pièce rotor externe 3 étant assemblée avec la pièce rotor interne 2 par des cannelures 16, et immobilisée longitudinalement par une pièce d’immobilisation 17, par exemple vissée ou frettée. A titre d’exemple, la pièce d’immobilisation 17 est un écrou fileté. Un autre aspect de l’invention concerne une machine tournante comportant un ensemble 4 de l’invention, cette machine tournante pouvant par exemple être une turbomachine, une pompe, un compresseur, un réducteur, un turbocompresseur, etc. Ensemble (4) formé d’une pièce rotor interne (2), d’une pièce rotor externe (3) et d’un dispositif de centrage (1) pour les pièces rotor (2, 3), les deux pièces rotor (2, 3) étant concentriques et centrées autour d’un axe longitudinal (X-X’), assemblées l’une avec l’autre et présentant une partie s’étendant longitudinalement où les deux pièces rotor (2, 3) sont à distance l’une de l’autre, le dispositif de centrage (1) étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins trois rainures (6) équipées chacune d’une cale mobile (5), et en ce que : chaque rainure (6) est située sur une face radiale externe (7) de la pièce rotor interne (2) ou sur la face radiale externe (8) d’une bague rainurée (9) fixée sur la face radiale externe (7) de la pièce rotor interne (2), dans la partie où les deux pièces rotor (2, 3) sont à distance l’une de l’autre ; chaque rainure (6) présente un fond (10) incliné longitudinalement d’un angle α par rapport à l’axe (X-X’) et formant une rampe de coulissement pour une cale mobile (5) ; chaque cale mobile (5) est montée coulissante longitudinalement dans une rainure (6) entre une position basse où elle est à distance de la pièce rotor externe (3) et une position haute où elle est en appui à la fois contre le fond (10) et contre une face radiale interne (11) de la pièce rotor externe (3) ; chaque cale mobile (5) présente une face interne de coulissement (12) en appui contre le fond (10) et une face externe de coincement (13) en regard de la face radiale interne (11) de la pièce rotor externe (3), la face interne de coulissement (12) étant inclinée longitudinalement d’un angle β par rapport à la face externe de coincement (13) ; et les rainures (6) équipées chacune d’une cale mobile (5) sont réparties radialement autour de l’axe (X-X’). Ensemble (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins une cale mobile (5) présente des reliefs orientés (14) sur sa face externe de coincement (13). Ensemble (4) selon la revendication 2, caractérisé en ce que des reliefs orientés (14) sont sous la forme de dents (15), de barbillons ou de lames incliné(e)s, ces reliefs orientés (14) étant inclinés dans la direction opposée à la direction selon laquelle le fond (10) est incliné. Ensemble (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’angle α est compris entre 0,1 et 30 degrés, préférentiellement compris entre 0,5 et 15 degrés et préférentiellement compris entre 1 et 5 degrés. Ensemble (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’angle β est compris entre 0,1 et 30 degrés, préférentiellement compris entre 0,5 et 15 degrés et préférentiellement compris entre 1 et 5 degrés. Ensemble (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’angle α et l’angle β ont la même valeur absolue. Ensemble (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins une cale mobile (5) est rigide et présente une limite d’élasticité comprise entre 1800 et 2500 MPa, préférentiellement comprise entre 1900 et 2300 MPa et plus préférentiellement comprise entre 1950 et 2050 MPa. Ensemble (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins une cale mobile (5) est en acier, en carbure de silicium ou en inconel. Ensemble (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins une cale mobile (5) et la rainure (6) dans lequel elle coulisse sont de forme générale parallélépipédique. Ensemble (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cales mobiles (5) et les rainures (6) dans lesquels elles coulissent sont répartis uniformément et radialement autour de l’axe (X-X’).