FR2515754A1 - INSTALLATION BY GAS BEARING OF CONSTRUCTION ELEMENTS MOVING IN RELATION TO EACH OTHER - Google Patents
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Abstract
A.MONTAGE PAR PALIER A GAZ D'ELEMENTS DE CONSTRUCTION SE DEPLACANT L'UN PAR RAPPORT A L'AUTRE. B.CARACTERISE EN CE QU'AU MOINS UN ELEMENT DE CONSTRUCTION 1 COMPORTE AU MOINS UN ELEMENT DE PALIER 2 PERMEABLE AU GAZ EN MATIERE POREUSE, LE GAZ 4 POUVANT ETRE ENVOYE A L'INTERIEUR 3 DU PALIER A TRAVERS CET ELEMENT PERMEABLE. C.MONTAGE APPLICABLE A DES PALIERS POUR TEMPERATURES AMBIANTES ELEVEES.A. GAS BEARING ASSEMBLY OF CONSTRUCTION ELEMENTS MOVING IN RELATION TO ONE ANOTHER. B. CHARACTERIZED IN THAT AT LEAST ONE CONSTRUCTION ELEMENT 1 INCLUDES AT LEAST ONE LEVEL 2 ELEMENT PERMEABLE TO GAS IN POROUS MATTER, GAS 4 CAN BE SENT TO INSIDE 3 OF THE BEARING THROUGH THIS PERMEABLE ELEMENT. C. MOUNTING APPLICABLE TO BEARINGS FOR HIGH AMBIENT TEMPERATURES.
Description
L'invention concerne un montage par palier à gaz d'éléments deThe invention relates to a gas stage mounting of elements of
construction se déplaçant l'un par rapport à l'autre, notamment un montage par palier à air pour des températures ambiantes extrêmement élevées. La mise en application de paliers à air à des températures élevées, avec le plus souvent des gradients de température, conduit, en raison des coefficients de dilatation thermique élevés des matériaux connus, à des variations de tolérances et par suite aux problèmes connus de grippage, marche instable ou a une forte diminution du coefficient de portance, Pour réduire les coefficients de dilatation ainsi que les tolérances, construction moving relative to each other, including air bearing mounting for extremely high ambient temperatures. The application of air bearings at high temperatures, most often with temperature gradients, leads, due to the high thermal expansion coefficients of the known materials, to variations in tolerances and consequently to known seizure problems, unstable market or has a sharp decrease in the coefficient of lift, To reduce the coefficients of dilation as well as the tolerances,
on a souvent proposé d'utiliser une matière céramique - it has often been proposed to use a ceramic material -
spéciale de compacité élevée pour l'élément mobile à monter (par exemple arbre, piston) ainsi que pour l'élément de special high compactness for the movable element to be mounted (for example shaft, piston) as well as for the element of
palier ( par exemple coussinet).bearing (eg pad).
Dans un montage par palier à air classique, il faut prévoir à l'intérieur du palier pour établir les coussins d'air porteurs appropriés, des petits perçages d'amenée d'air et des logements ou des conduits de distribution d'air L'éxécution de perçages aux côtes In a conventional air bearing arrangement, it is necessary to provide inside the bearing to establish the appropriate air bearing cushions, small air supply holes and air distribution housings or ducts. execution of holes in the ribs
voulues dans la céramique ainsi que de conduits de dis- wanted in ceramics as well as ducts of dis-
tribution d'air est extrêmement compliquée et très onéreuse. Air tribution is extremely complicated and very expensive.
Elle est donc difficilement supportable au point de vue économique. L'invention a pour but de créer un montage par palier à gaz d'éléments de construction se déplaçant l'un par rapport à l'autre, ce montage évitant les inconvénients mentionnés précédemment Il faut notamment obtenir un montage de construction simple et satisfaisant par des éléments de construction exposés à des conditions It is therefore difficult to sustain from an economic point of view. The object of the invention is to create a gas-bearing arrangement of building elements moving relative to each other, this assembly avoiding the drawbacks mentioned above. In particular, it is necessary to obtain a simple and satisfactory assembly of construction. building elements exposed to conditions
de service extrêmes.extreme service.
L'invention concerne à cet effet un montage du type ci-dessus caractérisé en ce qu'au moins un élément de construction comporte,au moins un élément de palier perméable au gaz en-matière poreuse, le gaz pouvant être envoyé à l'intérieur du palier à travers cet élément To this end, the invention relates to an assembly of the above type, characterized in that at least one construction element comprises at least one porous material permeable gas bearing element, the gas being able to be sent inside. from the landing through this element
perméable.permeable.
L'élément de palier est constitué notam- The bearing element is made up
ment en une matière céramique poreuse frittée présentant un faible coefficient de dilatation thermique, l'élément de palier conjugué pouvant être constitué en matière céramique de compacité élevée ou en métal( ou en une autre matière résistante) Ltutilisation d'une matière céramique poreuse frittée rend inutile l'exécution des petits perçages d'amenée d'air et des logements de distribution d'air qui étaient nécessaires suivant l'état de la technique Le gaz amené est Sintered porous ceramic material having a low coefficient of thermal expansion, the conjugate bearing element being made of high compactness ceramic material or metal (or other resistant material). The use of a sintered porous ceramic material makes it unnecessary execution of small air supply holes and air distribution housings that were necessary according to the state of the art The gas brought is
au contraire envoyé à l Vintérieur-du palier en étant régu- on the contrary, sent to the interior of the landing
lièrement réparti sur l'ensemble de la surface poreuse du palier, de sorte qu'on a pratiquement en service un appui distributed over the entire porous surface of the bearing, so that there is practically
sans contact avec un jeu de palier défini. without contact with a defined bearing set.
Il est clair qu'on simplifie ainsi la fabrication du palier et qu'on obtient en plus également un It is clear that this simplifies the manufacture of the bearing and that we obtain in addition also a
accroissement de la capacité du palier: Le comportement dyna- increase of the capacity of the landing: the dynamic behavior
mique est en particulier considérablement amélioré et on obtient également un coefficient de portance plus élevé avec une consommation de gaz réduite Le palier convient aussi bien pour les basses températures que pour les températures très élevées (supérieures à 1000 'C), ainsi que pour des vitesses relatives élevées entre les éléments de construction se déplaçant l'un par rapport à l'autre (vitesses de rotation élevées d'arbres montés sur paliers; grandes vitesses de course de pistons). In particular, it is considerably improved and a higher coefficient of lift is obtained with reduced gas consumption. The bearing is suitable for low temperatures as well as for very high temperatures (above 1000 ° C), as well as for high speeds. high relative values between building elements moving relative to each other (high rotational speeds of bearing-mounted shafts, high piston travel speeds).
Suivant un mode de réalisation particuliè- According to a particular embodiment
rement avantageux de l'invention, dans un palier radial et axial combiné, il est prévu au moins un coussinet en matière céramique poreuse comportant une collerette périphérique of the invention, in a combined radial and axial bearing, at least one porous ceramic pad having a peripheral collar is provided
pour servir d'appui à la Force axiale. to support the Axial Force.
Plus particulièrement, les dimensions radiales de collerettes périphériques de coussinets opposées (surfaces perpendiculaires à l'axe du palier poreux) sont More particularly, the radial dimensions of peripheral flanges of opposed bearings (surfaces perpendicular to the axis of the porous bearing) are
choisies de grandeur différente et/ou réglables pour corres- chosen of different size and / or adjustable for corre-
pondre à une compensation de poussée axiale Par l Vaugmen- weight to an axial thrust compensation By l Vaugmen-
tation ou la réduction de lune des surfaces d'appui en direction axiale du coussinet, on peut ainsi éviter une tation or reduction of the bearing surfaces in the axial direction of the bearing,
poussée axiale unilatérale sur l'élément tournant. unilateral axial thrust on the rotating element.
En variante, la compensation axiale peut aussi être effectuée par sollicitation avec des pressions de gaz différentes de surfaces perpendiculaires à l'axe opposées du ou des coussinets Il est prévu pour cela Alternatively, the axial compensation can also be effected by biasing with different gas pressures from surfaces perpendicular to the opposite axis of the pad or pads.
deux raccords de pression distincts. two separate pressure connections.
Il est judicieux que les surfaces perpen- It is advisable that the surfaces
diculaires à l'axe présentent des fentes radiales pour diculaires to the axis have radial slots for
assurer la mise à l'air libre du coussin de gaz de l'inté- ensure that the gas cushion of the
rieur du palier Les fentes radiales présentent l'avantage d'une exécution plus économique que des perçages, par The radial slots have the advantage of being more economical than drilling,
exemple dans une matière céramique. example in a ceramic material.
On utilise avantageusement de l'airAir is advantageously used
en tant que gaz L'air est envoyé à une température pré- as a gas The air is sent to a pre-
déterminée à l'intérieur du palier Suivant le cas d'espèce, on peut prévoir de l'air(ou du gaz) chaud ou froid Il est judicieux que le gaz soit envoyé determined inside the bearing Depending on the case, we can provide air (or gas) hot or cold It is advisable that the gas is sent
à partir d'une source de gaz extérieure. from an outside gas source.
2515 '7542515 '754
Dans le-cas d'un compresseur, il est cependant avantageux que le gaz soit envoyé à lintérieur du palier à partir de la chambre de compression, pour autant que le compresseur à piston comporte l'élément de palier poreux, L'agencement conforme à l'invention In the case of a compressor, however, it is advantageous for the gas to be sent inside the bearing from the compression chamber, provided that the piston compressor comprises the porous bearing element. The arrangement according to the invention
d'un montage par palier poreux sans contact convient notam- of a non-contact porous bearing arrangement is particularly suitable
ment pour un palier à air aérostatique ou aérodynamique, les éléments de palier mobiles l'un par rapport à l'autre étant constitués, d'une part, en matière céramique poreuse et, d'autre part, en matière céramique de compacité élevée Le for an aerostatic or aerodynamic air bearing, the bearing elements which are movable relative to one another are constituted, on the one hand, of porous ceramic material and, on the other hand, of ceramic material of high compactness.
palier à air est approprié pour les températures extrême- Air bearing is suitable for extreme temperatures.
ment élevées et extrêmement basses dans des conditions de high and extremely low in conditions of
température constante ou variable à des vitesses de rota- constant or variable temperature at rotational speeds
tion et/ou avec des courses à mouvements oscillants L'ali- and / or with oscillating movements.
mentation en air ou en gaz a lieu devant un coussinet poreux, air or gas is applied in front of a porous pad,
judicieusement par l'intermédiaire d'une chambre annulaire. judiciously through an annular chamber.
La description ci-après et les dessins The description below and the drawings
annexés se rapportent à des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: la-figure 1 représente un montage par palier à air conforme à l'invention pour arbre en matière céramique; la figure 2 représente un palier radial et axial combiné conforme à l'invention pour un turbo-compresseur; la figure 3 est une coupe transversale, suivant la ligne A-A, du palier radial et axial combiné suivant la figure 2; la figure 4 représente un montage par Attached are examples of embodiments of the invention, in which: FIG. 1 shows an air bearing arrangement according to the invention for a ceramic shaft; FIG. 2 represents a combined radial and axial bearing according to the invention for a turbo-compressor; FIG. 3 is a cross-section along the line A-A of the combined radial and axial bearing according to FIG. 2; FIG. 4 represents a mounting by
palier à air conforme à l'invention d'un élément de cons- air bearing according to the invention of an element of con-
truction à mouvement alternatif, par exemple dtun piston de compresseur ou de moteur; la figure 4 a représente une autre r&alisa&tion d'un montage par palier à air d'un piston de compresseur ou de moteur; la figure 5 est une coupe axiale similaire à la figure 4 d'un montage par palier à air radial reciprocating truction, for example a compressor or motor piston; Figure 4a shows another embodiment of an air bearing assembly of a compressor or motor piston; FIG. 5 is an axial section similar to FIG. 4 of a radial air bearing assembly
conforme à l'invention d'un piston. according to the invention of a piston.
Le palier à air représenté sur la figure 1 est prévu pour un arbre en matière céramique 7 The air bearing shown in Figure 1 is provided for a ceramic shaft 7
effectuant des mouvements de rotation ainsi que des mouve- performing rotational movements as well as movements
ments d'oscillation L'arbre en matière céramique 7 est oscillation elements The ceramic shaft 7 is
soumis à une force de portance (radiale) relativement gran- subjected to a relatively large lift (radial) force
de qu'est indiquée de façon symbolique par une flèche verticale B Cette force est amenée par l'élément de palier extérieur 1 se présentant sous forme d'un boitier fixé de façon amovible par des vis 11 sur l'élément de construction lc. Dans l'élément de palier 1 est monté géométriquement un élément de palier 2 perméable au gaz en matière céramique poreuse, cet élément entourant l'arbre 7 en matière céramique de compacité élevée avec un faible jeu en montage ajusté L-'air est envoyé, à partir d'une source de pression extérieure non représentée, par un orifice radial de l'élément de palier 1, à une chambre annulaire 9 formée par les éléments 1 et 2, cette chambre st'étendant en direction axiale pratiquement sur toute la longueur axiale de l'élément de palier poreux 2 A partir This force is supplied by the outer bearing element 1 in the form of a housing removably fixed by screws 11 on the construction element 1c. In the bearing element 1 is geometrically mounted a porous ceramic gas permeable bearing element 2, this element surrounding the shaft 7 of high compactness ceramic material with a small clearance in fitting L-air is sent, from an external pressure source not shown, by a radial orifice of the bearing element 1, to an annular chamber 9 formed by the elements 1 and 2, this chamber extending axially substantially over the entire length axial of the porous bearing element 2 From
de la chambre annulaire 9, l'air comprimé arrive a linté- of the annular chamber 9, the compressed air arrives at
rieur 3 du palier (fente de palier) en traversant les pores de l'élément de palier 2 En service, cet air est évacué latéralement dans l'ambiance par des orifices axiaux 6 o L'air amené crée un coussin d'air porteur à l'intérieur 3 du palier, de sorte qu'il n'y a pratiquement pas de contact entre l'arbre 7 en matière céramique et 'élément de palier poreux 2 On améliore ainsi considérablement 3 in the bearing (bearing slot) through the pores of the bearing element 2 In operation, this air is evacuated laterally into the atmosphere via axial orifices 6 o The supply air creates a carrier air cushion at the inside 3 of the bearing, so that there is practically no contact between the ceramic shaft 7 and the porous bearing element 2.
le comportement dynamique en marche de l'arbre 7 en matiè- the dynamic behavior of tree 7 in terms of
re céramique par rapport au comportement suivant l'état de la technique et on obtient également un coefficient de compared to the behavior according to the state of the art, and a coefficient of
portance plus élevé (consommation d'air plus faible). higher lift (lower air consumption).
L'arbre 7 en matière céramique de com- The shaft 7 made of ceramic material
pacité élevée et l'élément de palier poreux 2 en matière céramique frittée présentent sensiblement le même (faible) coefficient de dilatation thermique On peut ainsi avoir aussi bien des températures très basses que des températures très élevées allant jusqu'à 10000 C, avec un guidage de high pacity and the porous bearing element 2 of sintered ceramic material have substantially the same (low) coefficient of thermal expansion It is thus possible to have both very low temperatures and very high temperatures up to 10000 C, with guidance of
palier précis.accurate landing.
L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2 et la figure 3, correspondant à un montage à palier radial et axial comtiné, pour turbocompresseur de suralimentation, comporte un arbre 7 en matière céramique frittée classique de compacité élevée L'élément de palier 1 entourant l'arbre 7 en matière céramique maintient deux éléments de palier poreux 2 constitués de façon essentiellement similaire Chaque élément de palier 2 comporte The exemplary embodiment shown in FIG. 2 and FIG. 3, corresponding to a radial and axial bearing assembly, for a turbocharger, comprises a shaft 7 of conventional sintered ceramic material of high compactness. The bearing element 1 surrounding the shaft 7 of ceramic material maintains two porous bearing elements 2 essentially similar to each bearing element 2 comprises
une collerette périphérique 8 dirigée radialement vers l'ex- a peripheral flange 8 directed radially towards the ex-
térieur, ces collerettes constituant des surfaces du montage These flanges constitute mounting surfaces
perpendiculaires à l'axe.perpendicular to the axis.
En service, de l'air est envoyé aux con- In operation, air is sent to
duits annulaires 9 par deux orifices d'entrée distincts 4. annular molds 9 by two separate inlet ports 4.
A partir de là, l'air est envoyé à l'intervalle du palier. From there, the air is sent to the bearing interval.
Dans chacun des deux intervalles de palier est établi un coussin d'air porteur uniforme, de même que sur les surfaces In each of the two bearing intervals is established a uniform carrier air cushion, as well as on the surfaces
perpendiculaires à l'axe des collerettes périphériques 8. perpendicular to the axis of the peripheral flanges 8.
A partir de l'intervalle, l'air (primaire) est, évacué dans l'ambiance par les sorties de gaz 6 de l'élément de palier 1 Les surfaces perpendiculaires à l'axe des collerettes périphériques 8, présentent des fentes radiales 5 (au nombre de trois) régulièrement réparties sur le pourtour Ces fentes sont représentées en détail sur la figure 3; elles servent From the interval, the (primary) air is evacuated into the environment by the gas outlets 6 of the bearing element 1 The surfaces perpendicular to the axis of the peripheral flanges 8, have radial slots 5 (Three in number) regularly distributed around the periphery These slots are shown in detail in Figure 3; they serve
à assurer l'évacuation de l'air.to ensure the evacuation of the air.
On peut, de préférence, effectuer une It is preferable to carry out a
compensation d'une poussée axiale unilatérale par augmenta- compensation for unilateral axial thrust
tion ou réduction de l'une des surfaces porteuses perpendi- reduction or reduction of one of the supporting surfaces
culaires à l'axe de l'élément de palier poreux 2 On obtient également une compensation d"une poussée axiale unilatérale lorsqu'on envoie aux éléiments de palier individuels 2 de The axis of the porous bearing element 2 is also compensated for. One-sided axial thrust is also compensated when the individual bearing elements 2
l'air à une pression différente avec une valeur prédétermi- the air at a different pressure with a predetermined value
née On peut ainsi régler différemment la "dureté" du coussin d'air porteur en direction radiale et régler en conséquence la poussée axiale unilatérale O La figure 4 représente un montage par palier à air pour un élément de construction 7 se déplaçant suivant un mouvement alternatif (par exemple un piston d'un compresseur ou d'un moteur) Le piston 7 est alors constitué Thus, it is possible to adjust the "hardness" of the carrier air cushion in the radial direction differently and to adjust the unilateral axial thrust accordingly. FIG. 4 shows an air-bearing arrangement for a construction element 7 moving in a reciprocating motion. (for example a piston of a compressor or a motor) The piston 7 is then constituted
en matière céramique de compacite élevée. ceramic material of high compactness.
Le cylindre du piston est formé par les éléments de palier 1 en matière céramique de compacité élevée ainsi que par les éléments de construction la, lb The cylinder of the piston is formed by the bearing elements 1 of ceramic material of high compactness as well as by the building elements 1a, 1b.
en matière de même composition et par l'élément de construc- in the same composition and by the construction element
tion loc Lorsqu'ils sont montés, ces éléments maintiemnent par leur forme l'élément de palier poreux 2 en matière céramique (coussinet céramique) Le coussinet poreux 2 entoure alors le piston 7 en matière céramique suivant un When they are mounted, these elements maintain by their shape the porous bearing element 2 ceramic material (ceramic pad) The porous pad 2 then surrounds the piston 7 ceramic material following a
montage ajusté avec un faible jeu.fitting fit with a weak game
Lors du fonctionnement du compresseur à piston représenté, du gaz 4 est envoyé à l'intérieur 3 du palier à partir de la chambre annulaire 9 et à travers le In operation of the piston compressor shown, gas 4 is supplied to the interior 3 of the bearing from the annular chamber 9 and through the
coussinet poreux 2 L'air est amené dans la chambre annu- porous cushion 2 The air is brought into the annular chamber
laire 9 A partir de 10 (gaz comprimé) en passant par le perçage 4 Un coussin d'air porteur est donc établi à l'intérieur ("Montage par palier à air radial") L'air peut sortir, par exemple, sans pression, au-dessous du piston 7 En raison de l'effet d'étranglement de la matière céramique poreuse, la consommation d'air est relativement faible, de sorte que la chute de pression dans la chambre annulaire 9 est d'importance secondaire Si le piston 7 représenté sur la figure 4 est déplacé vers le bas, l'expansion de l'air, ? 5 d'abord sans pression, est empêoché Par suite du vrès faible I volume dtair se trouvent dans les pores du coussinet poreux 9 From 10 (compressed gas) through the bore 4 A carrier air cushion is therefore built in ("Radial air bearing") Air can be removed, for example, without pressure below the piston 7 Due to the throttling effect of the porous ceramic material, the air consumption is relatively low, so that the pressure drop in the annular chamber 9 is of secondary importance. piston 7 shown in Figure 4 is moved downward, the expansion of the air,? At first, without pressure, is prevented because of the low air volume in the pores of the porous pad.
2, on a un établissement rapide de la pression de l'air, ce- 2, there is a rapid establishment of the air pressure,
qui permet une fréquence de course axiale très élevée du compresseur à piston Les orifices axiaux 12, 13 correspondent à l'admission et au refoulement du compresseur. which allows a very high axial stroke frequency of the piston compressor The axial orifices 12, 13 correspond to the intake and discharge of the compressor.
Dans l'exemple de réalisation de compres- In the exemplary embodiment of compres-
seur suivant la figure 4 a, l'air comprimé sortant de la chambre de compression 10 arrive par des perçages 4 b de l'élément de According to FIG. 4a, the compressed air leaving the compression chamber 10 arrives via holes 4b of the element of FIG.
palier poreux 2 dans la chambre annulaire 9. porous bearing 2 in the annular chamber 9.
L'exemple de réalisation représenté sur la figure 5 correspond, pour l'essentiel, à l'exemple de réalisation suivant lafigure 4 Les éléments correspondants sont affectés des mêmes références numériques Par diffrence avec l'exemple de réalisation mentionné précédemment, le montage par palier à air radial suivant la figure 5 comporte un coussinet 7 en matière céramique frittée classique de compacité élevée, tandis que le piston 14 du compresseur, dont la base est en matière céramique de compacité élevée, comporte un élément de palier cylindrique 2 poreux et fritté qui détermine l'intérieur 3 du palier conjointement avec le The exemplary embodiment shown in FIG. 5 essentially corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 4. The corresponding elements are assigned the same numerical references. By contrast with the embodiment mentioned above, the step-by-step assembly radial air according to Figure 5 comprises a bushing 7 of high compactness sintered ceramic material, while the piston 14 of the compressor, whose base is made of high compactness ceramic material, comprises a porous and sintered cylindrical bearing element 2 which determines the interior of the landing 3 together with the
coussinet 7.pad 7.
En fonctionnement, conformément à la moitié de droite de la figure 5, de l'air 4 provenant d'une source de pression extérieure non représentée, est envoyé à la chambre annulaire 9 par un raccord 15 du vilebrequin du piston 14 du compresseur A partir de là, l'air est conduit à l'intérieur 3 du palier à travers l'élément de palier 2 en matière céramique poreuse Il s'établit à l'intérieur un coussin d'air porteur uniforme sur la surface latérale In operation, in accordance with the right half of FIG. 5, air 4 coming from an external pressure source, not shown, is sent to the annular chamber 9 via a connection 15 of the crankshaft of the piston 14 of the compressor From from there, the air is conducted inside the bearing 3 through the bearing element 2 made of porous ceramic material. There is a carrier air cushion uniformly arranged on the lateral surface.
cylindrique du piston 14 du compresseur. cylindrical piston 14 of the compressor.
En variante, conformément à la moitié de gauche de la figure 5, on peut avoir une sollicitation par pression directe, à partir de la chambre de compression 10, par le perçage 4 a On peut ainsi, avantageusement, se dispenser de 3 C prévoir une alimentation extérieure en air comprimé chaud ou froide 3 < Alternatively, in accordance with the left-hand half of FIG. 5, it is possible to have a direct pressure bias, from the compression chamber 10, through the bore 4. It is thus possible, advantageously, to dispense with 3 C. outdoor supply of hot or cold compressed air 3 <
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