FR2917139A1

FR2917139A1 - Ventilator for ventilation circuit of aircraft, has front and rear ball bearings interposed between shaft and support structure, where each bearing is mounted without grease and bearing parts or bearings are formed of ceramic material

Info

Publication number: FR2917139A1
Application number: FR0755465A
Authority: FR
Inventors: Olivier Darnis; Francois Gauharou
Original assignee: Technofan SA
Current assignee: Safran Ventilation Systems SAS
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2008-12-12

Abstract

The ventilator (10) has a wheel (16) carried by a shaft (26) coupled with an electric motor (24), and front and rear ball bearings (30, 32) interposed between the shaft and a support structure (20). Bearing elements i.e. balls (30C, 32C), or bearings are formed of ceramic material such as silicon nitride, where each bearing is mounted without grease. Maximum Hertz pressure applied to balls or the bearings is less than 1500 Pascal. The rear ball bearing is axially loaded by elastic washers placed around the shaft and applied between an external ring (32A) of the bearing and the structure.

Description

Ventilateur La présente invention concerne un ventilateur du typeThe present invention relates to a fan of the type

comportant une structure de support, une roue portée par un arbre accouplé à un moteur d'entraînement et au moins un roulement à billes interposé entre l'arbre et la structure de support. comprising a support structure, a wheel carried by a shaft coupled to a drive motor and at least one ball bearing interposed between the shaft and the support structure.

Les circuits de ventilation des avions incorporent des ventilateurs pour assurer la circulation de l'air dans les gaines de ventilation. Ces ventilateurs tournent à une vitesse élevée et doivent être d'une grande fiabilité. Pour satisfaire à ces exigences, l'arbre supportant la roue du ventilateur est porté par deux roulements à billes. Ces roulements sont graissés pour éviter leur échauffement et leur destruction rapide. Aircraft ventilation systems incorporate fans to ensure air circulation in the ventilation ducts. These fans run at a high speed and must be very reliable. To meet these requirements, the shaft supporting the fan wheel is carried by two ball bearings. These bearings are greased to prevent their heating up and their rapid destruction.

En outre, ces roulements sont équipés de cages de maintien des billes qui, outre leur fonction première de retenue des billes, exercent une fonction de barrière évitant que les particules en suspension dans l'air ne viennent polluer de manière trop importante la graisse. En outre, des flasques latéraux sont prévus pour éviter la pénétration des particules. In addition, these bearings are equipped with ball retaining cages which, in addition to their primary function of retaining the balls, exert a barrier function that prevents particles suspended in the air from polluting the grease too much. In addition, side flanges are provided to prevent the penetration of particles.

Toutefois, ces protections sont insuffisantes, de sorte que la graisse se charge progressivement en particules qui nuisent à la qualité du contact entre les billes et les pistes du roulement, conduisant à la détérioration accélérée du roulement. L'invention a pour but de proposer un ventilateur équipé de roulements à billes ayant une longue durée de vie, même dans un environnement pollué par des particules en suspension. A cet effet, l'invention a pour objet un ventilateur du type précité, caractérisé en ce qu'au moins les éléments de roulement du ou de chaque roulement sont formés en un matériau céramique, et en ce que le ou chaque roulement sont montés sans graisse. Suivant des modes particuliers de réalisation, le ventilateur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -la pression de Hertz maximale appliquée aux billes du ou de chaque roulement est inférieure à 1500 Mpa ; - la pression de Hertz maximale appliquée aux billes du ou de chaque roulement est comprise entre 500 Mpa et 1200 Mpa ; - la pression de Hertz maximale appliquée aux billes du ou de chaque roulement est comprise entre 500 Mpa et 800 Mpa ; - la pression de Hertz maximale appliquée aux billes du ou de chaque roulement est comprise entre 1200 Mpa et 1500 Mpa ; - pour le ou chaque roulement, N x dm est inférieur à 500 000 où N est la vitesse de rotation de l'arbre et dm le diamètre moyen du roulement ; - le matériau céramique utilisé est du nitrure de silicium ; et - au moins l'une des bagues du ou de chaque roulement est formée en un matériau céramique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, don- née uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique qui est une vue en coupe longitudinale d'un ventilateur selon l'invention. Le ventilateur 10 illustré sur la figure 1 est destiné à être placé dans un circuit de ventilation d'un avion. Il comporte un corps extérieur tubulaire 12 à l'intérieur duquel est disposé un bulbe 14 autour duquel une roue 16 est montée mobile à rotation. However, these protections are insufficient, so that the grease is gradually loaded particles that affect the quality of contact between the balls and the bearing tracks, leading to accelerated deterioration of the bearing. The invention aims to provide a fan equipped with ball bearings having a long life, even in an environment polluted by suspended particles. For this purpose, the invention relates to a fan of the aforementioned type, characterized in that at least the rolling elements of the or each bearing are formed of a ceramic material, and in that the or each bearing are mounted without fat. According to particular embodiments, the fan comprises one or more of the following characteristics: the maximum Hertz pressure applied to the balls of the or each bearing is less than 1500 MPa; the maximum Hertz pressure applied to the balls of the or each bearing is between 500 MPa and 1200 MPa; the maximum Hertz pressure applied to the balls of the or each bearing is between 500 MPa and 800 MPa; the maximum Hertz pressure applied to the balls of the or each bearing is between 1200 MPa and 1500 MPa; for the or each bearing, N x dm is less than 500 000 where N is the rotational speed of the shaft and dm is the average diameter of the bearing; the ceramic material used is silicon nitride; and - at least one of the rings of the or each bearing is formed of a ceramic material. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example and with reference to the single figure which is a longitudinal sectional view of a fan according to the invention. The fan 10 illustrated in Figure 1 is intended to be placed in a ventilation circuit of an aircraft. It comprises a tubular outer body 12 inside which is disposed a bulb 14 around which a wheel 16 is rotatably mounted.

Le bulbe 14 est relié au corps 12 par des bras transversaux 18 de sorte qu'une lame d'air cylindrique est délimitée entre le corps tubulaire 12 et le bulbe 14. Le bulbe 14 présente une structure de support 20 portant un carénage 22. Un moteur électrique 24 est logé à l'intérieur du carénage 22. ll est disposé suivant l'axe du ventilateur. Le moteur 24 présente un arbre 26 portant à son extrémité la roue 16. Dans le mode de réalisation illustré, la roue 16 épouse la forme du bulbe 14. La roue est dis-posée du côté du bulbe par lequel l'air est aspiré. Le rotor du moteur est solidaire de l'arbre 26 alors que le stator du moteur est solidaire de la structure de support 20. L'arbre 26 du moteur est porté par deux roulements à billes 30, 32 montés sans graisse. Les roulements sont disposés de part et d'autre du moteur 24, un roulement avant 30 dit étant disposé entre le moteur 24 et la roue 16 alors que l'autre roulement 32 dit arrière est disposé à l'opposé de la roue 16 par rapport au moteur 24. Comme connu en soi, chaque roulement comporte une bague extérieure 30A, 32A solidarisée en rotation par rapport à la structure 20 et une bague intérieure 30B, 32B solidarisée en rotation à l'arbre 26 ainsi que des éléments de roulement, notamment des billes 30C, 32C interposées entre les deux bagues. Une cage de retenue des billes, formée d'une virole cylindrique percée de logements de réception des billes assure une équirépartition des billes et un positionnement correct de celles-ci entre les deux bagues. Le roulement arrière 32 est chargé axialement par des rondelles élastiques 34 disposées autour de l'arbre 26 et appliquées entre la bague extérieure 32A du roule-ment et la structure 20. Ces rondelles élastiques forment ressort et repoussent la bague extérieure du roulement vers la roue 16. The bulb 14 is connected to the body 12 by transverse arms 18 so that a cylindrical air space is delimited between the tubular body 12 and the bulb 14. The bulb 14 has a support structure 20 carrying a fairing 22. A Electric motor 24 is housed inside the shroud 22. It is arranged along the axis of the fan. The motor 24 has a shaft 26 carrying at its end the wheel 16. In the illustrated embodiment, the wheel 16 matches the shape of the bulb 14. The wheel is placed on the side of the bulb through which the air is sucked. The rotor of the motor is secured to the shaft 26 while the motor stator is integral with the support structure 20. The shaft 26 of the motor is carried by two ball bearings 30, 32 mounted without grease. The bearings are arranged on either side of the motor 24, a front bearing 30 said being disposed between the motor 24 and the wheel 16 while the other bearing 32 said rear is disposed opposite the wheel 16 relative to the motor 24. As known per se, each bearing comprises an outer ring 30A, 32A secured in rotation relative to the structure 20 and an inner ring 30B, 32B secured in rotation to the shaft 26 as well as rolling elements, in particular balls 30C, 32C interposed between the two rings. A ball retaining cage, formed of a cylindrical shell pierced with ball receiving housings ensures equidistribution of the balls and a correct positioning thereof between the two rings. The rear bearing 32 is loaded axially by spring washers 34 arranged around the shaft 26 and applied between the outer ring 32A of the roll-ment and the structure 20. These spring washers form a spring and push the outer ring of the bearing towards the wheel 16.

Le roulement avant 30 est de dimensions supérieures à celles du roulement 32. En effet, le roulement 30 subit à la fois la charge du ressort 34 et de la poussée aérodynamique résultant de la roue 16. Selon l'invention, les deux roulements 30 et 32 sont montés sans graisse. Ils comportent de préférence au moins une partie formée dans un matériau céramique. De préférence, cette partie est constituée des billes du roulement. Les billes en matériau céramique sont par exemple formées de nitrure de silicium (Si3N4). Suivant un premier mode de réalisation, les deux bagues intérieure et extérieure des roulements sont formées en métal et notamment en acier alors que seules les billes sont formées en céramique. Suivant un autre mode de réalisation, au moins l'une des bagues et de préférence les deux bagues sont formées en céramique ainsi que les billes. Le ressort 34 est dimensionné de manière à appliquer une charge relativement faible sur la bague extérieure du roulement arrière. Ainsi, les roulements sont montés avec une charge réduite, c'est-à-dire que les efforts appliqués sur le roulement sont tels, qu'au niveau du contact entre les billes et les bagues intérieure et extérieure, les températures générées sont inférieures aux limites acceptables par les matériaux mis en oeuvre. The front bearing 30 is of greater dimensions than those of the bearing 32. In fact, the bearing 30 undergoes both the load of the spring 34 and the aerodynamic thrust resulting from the wheel 16. According to the invention, the two bearings 30 and 32 are mounted without grease. They preferably comprise at least one portion formed in a ceramic material. Preferably, this part consists of the balls of the bearing. The balls of ceramic material are for example formed of silicon nitride (Si3N4). According to a first embodiment, the two inner and outer rings of the bearings are formed of metal and in particular steel whereas only the balls are formed of ceramic. According to another embodiment, at least one of the rings and preferably the two rings are formed of ceramic and the balls. The spring 34 is sized to apply a relatively low load on the outer ring of the rear bearing. Thus, the bearings are mounted with a reduced load, that is to say that the forces applied to the bearing are such that at the contact between the balls and the inner and outer rings, the temperatures generated are lower than acceptable limits by the materials used.

Plus précisément, la charge des roulements est assurée de sorte qu'une pression de Hertz maximale de 1500 Mpa est appliquée entre les bagues intérieure et extérieure et les billes. De préférence, la pression de Hertz est comprise entre 500 et 1200 Mpa et de manière encore plus préférentielle entre 500 et 800 Mpa. Specifically, the bearing load is ensured so that a maximum Hertz pressure of 1500 MPa is applied between the inner and outer rings and the balls. Preferably, the Hertz pressure is between 500 and 1200 MPa and even more preferably between 500 and 800 MPa.

Suivant une autre variante préférée, la pression de Hertz est comprise entre 1200 Mpa et 1500 Mpa. A titre d'exemple, pour un ventilateur ayant une vitesse de rotation de 15 000 tours/minute, le roulement arrière 32 présente un diamètre intérieur de 12 mm, un dia- mètre extérieur de 32 mm et une longueur de 15,85 mm, le produit de la vitesse moyenne N de rotation des billes par le diamètre moyen dm du roulement noté N x dm étant égal à 330 000. Le diamètre moyen est la demi somme du diamètre intérieur et du diamètre extérieur. Le roulement avant 30 présente un diamètre intérieur de 17 mm, un diamètre extérieur de 40 mm et une longueur de 17,46 mm, le produit N x dm étant égal à 427 000. According to another preferred variant, the Hertz pressure is between 1200 MPa and 1500 MPa. By way of example, for a fan having a speed of rotation of 15,000 rpm, the rear bearing 32 has an internal diameter of 12 mm, an outside diameter of 32 mm and a length of 15.85 mm. the product of the average speed N of rotation of the balls by the average diameter dm of the bearing noted N x dm being equal to 330 000. The average diameter is the half sum of the inside diameter and the outside diameter. The front bearing 30 has an internal diameter of 17 mm, an outside diameter of 40 mm and a length of 17.46 mm, the product N x dm being equal to 427,000.

Ainsi, de préférence, les roulements sont dimensionnés de sorte que le produit de la vitesse moyenne N de rotation des billes par le diamètre moyen dm du roulement N x dm est inférieur à 500 000. Afin de permettre une évacuation satisfaisante de la chaleur, les roulements sont dépourvus de flasques, ces flasques étant normalement rendus nécessaires pour la protection de la graisse. En l'absence de ces flasques, la structure du ventilateur est adaptée pour créer un passage de circulation d'un fluide de refroidissement et notamment d'air au travers du roulement. Ce passage traverse le roulement et relie par exemple l'amont et l'aval du ventilateur. Ainsi, du fait des différences de pression entre les deux côtés du passage, un flux d'air de refroidissement s'établit au travers du roulement. Ainsi, la chaleur générée par le contact dans le roulement est évacuée par conduction au travers du matériau constituant le roulement et par convexion dans le flux d'air de refroidissement. Thus, preferably, the bearings are dimensioned so that the product of the average speed N of rotation of the balls by the average diameter dm of the bearing N x dm is less than 500 000. In order to allow a satisfactory evacuation of heat, the bearings are free of flanges, these flanges being normally made necessary for the protection of the grease. In the absence of these flanges, the fan structure is adapted to create a circulation passage of a cooling fluid and in particular air through the bearing. This passage crosses the bearing and connects for example upstream and downstream of the fan. Thus, because of the pressure differences between the two sides of the passage, a flow of cooling air is established through the bearing. Thus, the heat generated by the contact in the bearing is removed by conduction through the material constituting the bearing and by convection in the flow of cooling air.

Avec un tel ventilateur, dont les billes des roulements sont formées en céramique, on constate que, même en l'absence de graisse, la durée de vie des roulements est extrêmement longue si la charge appliquée aux roulements est modérée. En effet, l'absence de graisse permet une limitation du glissement entre les billes et les bagues, et par suite une limitation de l'échauffement. L'absence de graisse per- met en outre de réduire le glissement, ce qui permet d'appliquer une précharge réduite des roulements qui, par conséquent, réduit d'autant l'échauffement des roulements, la pression de Hertz étant relativement réduite. En outre, l'absence de graisse permet de moins dissiper la chaleur par brassage et de ne pas limiter la durée de vie du roulement par la durée de vie de la graisse. With such a fan, whose ball bearings are formed of ceramic, it is found that, even in the absence of grease, the life of the bearings is extremely long if the load applied to the bearings is moderate. Indeed, the absence of grease allows a limitation of the sliding between the balls and the rings, and consequently a limitation of the heating. The absence of grease also makes it possible to reduce slippage, which makes it possible to apply a reduced preload of the bearings, which consequently reduces the heating of the bearings, the Hertz pressure being relatively reduced. In addition, the absence of grease allows less heat dissipation by stirring and not to limit the life of the bearing by the life of the grease.

Ainsi, même en l'absence de graisse, la durée de vie des roulements est très longue, d'autant plus que les impuretés environnantes ne sont pas retenues par la graisse et ne contribuent pas à la détérioration du roulement par échauffement. Thus, even in the absence of grease, the life of the bearings is very long, especially since the surrounding impurities are not retained by the grease and do not contribute to the deterioration of the bearing by heating.

Claims

1.- fan having a support structure (20), a wheel (16) carried by a shaft (26) coupled to a drive motor (24) and at least one ball bearing (30, 32) interposed between shaft (26) and supporting structure (20), characterized in that at least the rolling elements of the or each bearing are formed of a ceramic material, and that the or each bearing (30, 32) are mounted without grease.

2. Fan according to claim 1, characterized in that the maximum Hertz pressure applied to the balls of the or each bearing (30, 32) is less than 1500 MPa.

3.- fan according to claim 2, characterized in that the maximum Hertz pressure applied to the balls of the or each bearing (30, 32) is between 500 MPa and 1200 MPa.

4. Fan according to claim 3, characterized in that the maximum Hertz pressure applied to the balls of the or each bearing is between 500 MPa and 800 MPa.

5.- fan according to claim 2, characterized in that the maximum Hertz pressure applied to the balls of the or each bearing (30, 32) is between 1200 MPa and 1500 MPa.

6. Fan according to any one of the preceding claims, characterized in that, for the or each bearing (30, 32), N x dm is less than 500 000 where N is the speed of rotation of the shaft (26). ) and dm the average diameter of the bearing (30, 32).

7. Fan according to any one of the preceding claims, characterized in that the ceramic material used is silicon nitride.

8. Fan according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the rings of the or each bearing (30, 32) is formed of a ceramic material.