FR3105802A1 - Rotor de joint dynamique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un rotor de joint qui peut inclure une pluralité d'entrées de fluide sur l'extérieur. Les entrées de fluide peuvent aspirer un fluide dans le corps du joint lequel peut aider à éliminer la chaleur de l'interface d'étanchéité primaire, ce qui réduit la déformation thermique de l'interface d'étanchéité avec son homologue non rotatif. La configuration du rotor de joint permet à un fluide de s'écouler à travers le rotor de joint et de maintenir le rotor de joint plus près d'un état isotherme qu'un rotor de joint de technique antérieure. Le corps du joint peut en outre inclure une série d'ailettes sur l'intérieur du corps. Les ailettes définissent des canaux à travers lesquels un fluide entrant par l'intermédiaire des entrées de fluide peut s'écouler. Ces caractéristiques fonctionnent en tant que système pour disperser et dissiper la chaleur du système. Figure pour l’abrégé : figure 1
Description
CONTEXTE
Des joints dynamiques mécaniques sont utilisés dans de nombreuses industries et peuvent être constitués de deux composants. Par exemple, un premier composant est connu sous le nom de bague d'accouplement et dénommé rotor alors qu'un deuxième composant est connu sous le nom de joint et dénommé stator. Le contact entre les deux composants génère de la chaleur, qui à son tour amène une déformation thermique de l'interface d'étanchéité du rotor et du stator. Cette déformation thermique est une source de variation de performance. Cette variation peut être limitée en éliminant la chaleur de l'interface de joint d'une manière rapide et efficace.
RÉSUMÉ
Un rotor de joint pour former un joint entre un élément rotatif et un élément fixe d'une machine est divulgué. Le rotor de joint peut inclure un corps principal définissant une paroi circonférentielle interne à proximité de l'élément rotatif, et incluant une paroi circonférentielle externe espacée par un espace interstitiel, et peut inclure en outre une pluralité d'ailettes et/ou d'aubes au moins partiellement situées au sein de l'espace interstitiel et s'étendant entre les parois circonférentielles interne et externe.
Dans certains exemples, le rotor de joint est formé en tant que pièce monobloc unique.
Dans certains exemples, le rotor de joint est un composant fabriqué de manière additive.
Dans certains exemples, chacune parmi la pluralité d'ailettes est incurvée dans au moins une direction.
Dans certains exemples, chacune parmi la pluralité d'ailettes est incurvée dans au moins deux directions.
Dans certains exemples, chacune parmi la pluralité d'ailettes est orientée selon un angle oblique par rapport à l'un et/ou l'autre parmi un axe longitudinal du rotor de joint dynamique et un axe transversal du rotor de joint dynamique.
Dans certains exemples, une pluralité d'ouvertures sont fournies et s'étendent à travers la paroi circonférentielle externe dans l'espace interstitiel.
Dans certains exemples, la pluralité d'ouvertures sont de forme triangulaire.
Dans certains exemples, le joint est formé de plus d'un matériau.
Dans certains exemples, un matériau dissemblable est utilisé pour la face de joint primaire, intégré dans l'interface de joint primaire, les ailettes, ou une certaine combinaison de celles-ci.
Différents aspects supplémentaires seront indiqués dans la description qui suit. Les aspects peuvent concerner des caractéristiques individuelles et des combinaisons de caractéristiques. Il est entendu que la description générale qui précède et la description détaillée suivante sont fournies à titre d'exemple et d'explication uniquement et ne sont pas limitatives des grands concepts inventifs sur lesquels les exemples décrits ici sont basés.
Les dessins annexés, qui sont incorporés dans la description et en sont partie intégrante, illustrent plusieurs aspects de la présente invention. Une brève description des dessins est la suivante:
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Divers exemples seront décrits en détails en se référant aux dessins, des numéros de référence similaires représentant des pièces et ensembles similaires au sein des différentes vues. La référence à différents exemples ne limite pas la portée des revendications annexées. De plus, tous les exemples exposés dans cette description ne sont pas destinés à être limitatifs et exposent simplement certains des nombreux exemples possibles pour les revendications annexées. En se référant aux dessins sur lesquels des numéros de référence correspondent à des composants identiques ou similaires sur l'ensemble des multiples figures.
Les joints dynamiques classiques ont typiquement au moins une interface primaire, typiquement entre un élément fixe, tel qu'un stator, et un élément rotatif, tel qu'un rotor. Du fait de la friction, de la chaleur est typiquement générée au niveau de cette interface ce qui a tendance à amener des gradients de température à travers des composants du joint dynamique. En conséquence, des joints dynamiques peuvent souffrir d'une déformation thermique au niveau de l'interface de joint primaire, par exemple au niveau de l'interface entre le joint dynamique et le rotor. La déformation thermique peut provoquer une déformation au matériel qui peut influencer défavorablement la performance de joint dynamique.
En référence à la Figure17, un rotor de joint de technique antérieure10 est montré dans lequel la condition de déformation thermique décrite précédemment peut se produire. Comme montré, le rotor de joint de technique antérieure a un corps12 avec une paroi circonférentielle interne12a, définissant une surface interne radiale12b, une paroi circonférentielle externe12c, et une structure de paroi d'extrémité ou de face12d joignant les parois circonférentielles interne et externe12a, 12c. Avec une telle conception un gradient thermique significatif peut se former entre la paroi circonférentielle interne12a et la paroi circonférentielle externe12b, ce qui entraîne potentiellement une sous-performance du fait de la déformation d'interface d'étanchéité causée par une déformation thermique. Un rotor de joint du type montré sur la Figure17 est décrit en détail dans le brevet américain US9945235.
En référence aux Figures1 à 8, un rotor de joint100 pour assurer une étanchéité contre un élément fixe est décrit lequel réduit la déformation thermique au niveau de l'interface d'étanchéité et permet aux composants des joints hydrodynamiques de fonctionner plus près d'une condition isotherme. La Figure8 présente une vue en coupe transversale du rotor de joint100 avec un élément5 montré schématiquement comme passant à travers l'ouverture centrale du rotor de joint100. Comme montré, le rotor de joint100 a un corps principal112 avec une paroi circonférentielle interne112a, définissant une surface interne radiale112b, une paroi circonférentielle externe112c, et une paroi d'extrémité ou de face112d joignant les parois circonférentielles interne et externe112a, 112c. Selon un aspect, les parois circonférentielles interne et externe112a, 112c sont séparées d'une distanceD2 pour définir un espace ou écart interstitiel112e, comme visualisé idéalement sur la Figure9 où le corps principal112 est montré en isolement pour la clarté. Les parois circonférentielles interne et externe112a, 112c sont également montrées comme ayant une hauteur ou profondeurD3 alors que la paroi d'extrémité112d est montrée comme ayant une hauteurD4. En référence aux Figures8 et 9, le corps principal112 peut être caractérisé comme définissant un canal ouvert, dans lequel l'écart112e a une forme généralement rectangulaire. Dans l'exemple montré, les côtés intérieurs des parois circonférentielles interne et externe112a et 112c sont parallèles les uns aux autres. Dans l'exemple montré, l'écart112e a un coin incurvé ou arrondi au niveau de la jonction intérieure des parois circonférentielles interne et externe112a, 112d. D'autres géométries de l'écart112e sont possibles. Selon un aspect, l'extérieur radial de la paroi circonférentielle interne112a du corps principal112 définit une surface externe112f alors que l'intérieur radial de la paroi circonférentielle externe112c définit une surface interne112g. Selon un aspect, l'écart112e s'étend entre les surfaces112f, 112g.
Contrairement à l'exemple montré sur les Figures1 et 2, le rotor de joint100 comporte en outre des géométries d'ailettes internes et des passages d'écoulement pour augmenter le transfert de chaleur à l'écart de la paroi circonférentielle interne radiale112c. Comme on peut le voir idéalement sur la Figure4, le rotor de joint100 comporte une pluralité d'ailettes internes114 disposées dans l'espace ou écart interstitiel112e et s'étendant de la paroi circonférentielle interne radiale112c à la paroi circonférentielle externe radiale112d. Plus spécifiquement, les ailettes114 s'étendent entre les surfaces112f et 112g. Les ailettes internes114 conduisent à la fois la chaleur et favorisent un écoulement de fluide à travers le rotor de joint100. Ceci permet au fluide de conduire la chaleur à travers la pièce et dans le fluide. Dans l'exemple montré, environ 78ailettes internes114 sont fournies. Des ailettes114 en plus grand ou plus petit nombre peuvent être fournies, en fonction de l'application. Dans l'exemple montré, chaque ailette interne114 a des première et deuxième surfaces opposées114a, 114b s'étendant entre un bord d'attaque114c et un bord de fuite114d et s'étendant également entre une première extrémité axiale114e et une deuxième extrémité axiale114f. Les extrémités114f, 114e et le bord114c sont représentés schématiquement sur la Figure4. Tel que configuré, le bord d'attaque d'ailette interne114c s'étend jusqu'à la surface interne112f et le bord de fuite d'ailette interne114d s'étend jusqu'à la paroi circonférentielle radialement à l'extérieur112c. Telle que configurée, la première extrémité axiale d'ailette interne114e s'étend jusqu'à la paroi d'extrémité112d alors que la deuxième extrémité axiale d'ailette interne114f est exposée au sein de l'espace ou écart interstitiel112e.
Dans l'exemple montré, les ailettes internes114 sont positionnées selon un angle oblique par rapport aux parois circonférentielles interne et externe radiales112c, 112d, par rapport à un axe axial ou longitudinalX, et par rapport à un axe transversalY du corps principal112. Une telle configuration permet que la longueur des ailettes internes114 soit plus longue par comparaison avec une ailette s'étendant orthogonalement entre les parois112c, 112d. Ainsi, la configuration divulguée fait en sorte que l'aire des parois circonférentielles interne et externe112a, 112c est augmentée, ce qui augmente la capacité de chaque ailette interne114 à diriger un écoulement d'air au sein de l'espace ou écart interstitiel112e et à dissiper la chaleur à l'écart de la paroi circonférentielle interne radiale112a. Les surfaces114a, 114b peuvent également être incurvées entre les bords d'attaque et de fuite114c, 114d et/ou entre les première et deuxième extrémités axiales114e, 114f pour améliorer les caractéristiques d'écoulement d'air et/ou de dissipation thermique. Dans certains exemples, les ailettes internes114 sont parallèles à l'axe longitudinalX et/ou orthogonales à l'axe transversal.
Selon un aspect, le rotor de joint100 inclut en outre une pluralité d'entrées de fluide116 s'étendant à travers la paroi circonférentielle externe radiale112d. Les entrées116 permettent à un écoulement de fluide, par exemple un écoulement de gaz, d'entrer dans le rotor de joint100 entre les ailettes114 de telle sorte qu'une efficacité de transfert thermique par convection est augmentée. Dans l'exemple montré, les entrées de fluide116 sont pourvues d'une forme triangulaire avec un point central116a orienté dans la même direction que s'étendent les ailettes114 à partir du bord114c en direction du bord114d. Dans certains exemples, la forme triangulaire inclut des points latéraux116b. Dans certains exemples, les points latéraux116b peuvent s'étendre au-delà des bords114c, 114 des ailettes114 en direction de la paroi circonférentielle externe112d. Bien que les entrées de fluide116 soient montrées comme ayant une forme triangulaire, d'autres formes d'ouverture sont possibles sans s'écarter des concepts présentés ici. Les entrées de fluide116 permettent à un fluide de passer à travers la paroi circonférentielle externe radiale112d et dans l'écart112e moyennant quoi le fluide peut ensuite être introduit vers les ailettes114. À mesure qu'un fluide entre dans les espaces interstitiels115 entre les ailettes114, un transfert thermique par convection se produit pour éliminer la chaleur des ailettes114. Dans l'exemple présenté, il convient de noter que certaines des ailettes114 sont pourvues de parties découpées ou encoches114g à proximité des entrées116 de telle sorte que de l'air passant à travers une entrée individuelle116 peut s'écouler dans de multiples espaces interstitiels115 entre de multiples ailettes114, comme illustré le plus clairement sur la Figure8. Après passage à travers les ailettes114, le fluide relativement chauffé peut ensuite sortir à travers l'extrémité ouverte de l'écart112e du rotor de joint100 à proximité des deuxièmes extrémités axiales114f des ailettes114. Dans certains exemples, l'écoulement de fluide peut être l'inverse de celui décrit précédemment, avec un fluide s'écoulant dans l'espace interstitiel entre les ailettes114 au niveau des deuxièmes extrémités axiales d'ailette114f puis en dehors des entrées116, qui seraient alors caractérisées en tant que sorties116 ou plus génériquement en tant qu'orifices ou ouvertures116. Comme les ailettes114 sont en contact direct avec la paroi circonférentielle interne112a du corps principal112, les ailettes114 jouent le rôle de dissipateur thermique pour la paroi circonférentielle interne112a, réduisant ainsi la déformation thermique à travers le rotor de joint100. Comme les ailettes114 sont également en contact direct avec la paroi circonférentielle externe112c et la paroi d'extrémité112d, tous les composants du rotor de joint100 sont en communication thermique les uns avec les autres. À ce titre, avec la configuration divulguée, les composants du rotor de joint100 peuvent fonctionner plus près d'une condition isotherme pendant le fonctionnement.
Comme on peut le comprendre dans la divulgation, le rotor de joint100 a une forme complexe avec de nombreuses caractéristiques internes et externes détaillées. Par exemple, les ailettes114 sont situées en très étroite proximité les unes par rapport aux autres et ont des extrémités qui chevauchent les entrées116. Du fait de caractéristiques de ce type, le rotor de joint100 peut être avantageusement formé par l'intermédiaire d'un processus de fabrication additive, dans lequel un matériau est déposé en couches pour former les formes internes et externes complexes du rotor de joint100. Dans l'exemple montré, le rotor de joint100 est fabriqué de manière additive et formé en tant que pièce monobloc unique.
Dans certains exemples, le rotor de joint100 est formé de telle sorte que le corps principal112 et les ailettes114 sont formés en tant qu'unique composant formé d'un seul tenant. Dans certains exemples, le rotor de joint100 est formé à partir d'un matériau unique. Un matériau donné à titre d'exemple est un matériau métallique, tel que de l'acier, du cuivre, de l'aluminium, et des alliages apparentés. Un autre matériau donné à titre d'exemple est un matériau carboné. Dans certains exemples, le rotor de joint100 est formé à partir de multiples matériaux. Par exemple, un premier matériau pourrait être utilisé pour définir la totalité ou une partie du rotor de joint100 alors qu'un deuxième matériau est utilisé pour former le reste du rotor de joint100. Dans certains exemples, un deuxième matériau est intégré dans un premier matériau. Dans certains exemples, le deuxième matériau112i a une conductivité thermique plus élevée par comparaison avec celle du premier matériau112h. Un tel exemple est montré sur la Figure8A, dans laquelle le rotor de joint100 est formé à partir d'un premier matériau112h avec un deuxième matériau112i étant entièrement intégré dans le deuxième matériau. Dans l'exemple montré sur la Figure8A, le deuxième matériau112h est formé en tant que disque annulaire. Cependant, d'autres formes et distributions, contiguës et non contiguës, sont possibles. Dans l'exemple montré, le premier matériau112h est formé à partir d'acier alors que le deuxième matériau est un matériau métallique différent, tel qu'un alliage de cuivre ou d'aluminium. Selon un aspect, un matériau plus dur, tel que de l'acier, est idéal pour définir la face interne radiale112b qui assure l'interface avec l'arbre5. Cependant, la performance thermique du rotor de joint100 serait améliorée en utilisant un matériau avec une conductivité thermique plus élevée. À ce titre, en intégrant un deuxième matériau112i au sein du premier matériau112h une structure composite résulte avec une conductivité thermique nette plus élevée pour une performance thermique améliorée sans porter atteinte à la durabilité fournie par le premier matériau112h. Dans certains exemples, les ailettes114 peuvent également être formées à partir d'un matériau différent, tel qu'un troisième matériau112j. Dans certains exemples, le troisième matériau112j est le même matériau que le deuxième matériau112i alors que le reste du rotor de joint110 est formé à partir du premier matériau112h. Dans certains exemples, les premier, deuxième et troisième matériaux112h, 112i, 112j sont tous différents les uns des autres de telle sorte que le rotor de joint110 est formé à partir de trois matériaux différents.
À partir de la description détaillée suivante, on notera que des modifications et des variantes peuvent être apportées aux aspects de l'invention sans sortir de l'esprit ou de la portée des aspects. Bien que les meilleurs modes de réalisation des nombreux aspects de la présente invention aient été décrits en détail, l'homme de l'art auquel ces enseignements se rapportent reconnaîtra diverses variantes d'aspects pour la mise en pratique des présents enseignements qui restent dans le cadre des revendications annexées.
Claims (20)
- Rotor de joint (100) pour assurer une étanchéité contre un élément non rotatif, le rotor de joint (100) comprenant:
a) un corps principal (112) définissant une paroi circonférentielle interne (112a) et une paroi circonférentielle externe (112c) espacée par un espace interstitiel (112e); et
b) une pluralité d'ailettes (114) situées au moins partiellement au sein de l'espace interstitiel (112e) et s'étendant entre les parois circonférentielles interne et externe (112a, 112c). - Rotor de joint (100) selon la revendication1, dans lequel le rotor de joint (100) est formé en tant que pièce monobloc unique.
- Rotor de joint (100) selon la revendication2, dans lequel le rotor de joint (100) est un composant fabriqué de manière additive.
- Rotor de joint (100) selon la revendication1, dans lequel chacune parmi la pluralité d'ailettes (114) est incurvée dans au moins une direction.
- Rotor de joint (100) selon la revendication4, dans lequel chacune parmi la pluralité d'ailettes (114) est incurvée dans au moins deux directions.
- Rotor de joint (100) selon la revendication1, dans lequel chacune parmi la pluralité d'ailettes (114) est orientée selon un angle oblique par rapport à l'un et/ou l'autre parmi un axe longitudinal du rotor de joint (100) et un axe transversal du rotor de joint (100).
- Rotor de joint (100) selon la revendication1, comprenant en outre:
a) une pluralité d'ouvertures (116) s'étendant à travers la paroi circonférentielle externe (112c) dans l'espace interstitiel (112e). - Rotor de joint (100) selon la revendication7, dans lequel la pluralité d'ouvertures (116) sont de forme triangulaire.
- Rotor de joint (100) selon la revendication2, dans lequel le rotor de joint (100) est formé à partir d'un matériau unique.
- Rotor de joint (100) selon la revendication1, dans lequel le rotor de joint (100) est formé à partir de plus d'un matériau.
- Machine comprenant:
a) un élément rotatif;
b) un élément fixe; et
c) un rotor de joint (100) fournissant un joint entre les éléments rotatif et fixe, le rotor de joint (100) incluant:
i) un corps principal (112) définissant une paroi circonférentielle interne (112a) à proximité de l'élément rotatif, et incluant une paroi circonférentielle externe (112c) espacée par un espace interstitiel (112e); et
ii) une pluralité d'ailettes (114) situées au moins partiellement au sein de l'espace interstitiel (112e) et s'étendant entre les parois circonférentielles interne et externe (112a, 112c). - Machine selon la revendication11, dans laquelle le rotor de joint (100) est formé en tant que partie monobloc unique.
- Machine selon la revendication11, dans laquelle le rotor de joint (100) est un composant fabriqué de manière additive.
- Machine selon la revendication11, dans laquelle chacune parmi la pluralité d'ailettes (114) est incurvée dans au moins une direction.
- Machine selon la revendication11, dans laquelle chacune parmi la pluralité d'ailettes (114) est incurvée dans au moins deux directions.
- Machine selon la revendication11, dans laquelle chacune parmi la pluralité d'ailettes (114) est orientée selon un angle oblique par rapport à l'un et/ou l'autre parmi un axe longitudinal du rotor de joint (100) et un axe transversal du rotor de joint.
- Machine selon la revendication11, comprenant en outre:
a) une pluralité d'ouvertures (116) s'étendant à travers la paroi circonférentielle externe (112c) dans l'espace interstitiel (112e). - Machine selon la revendication11, dans laquelle la pluralité d'ouvertures (116) sont de forme triangulaire.
- Machine selon la revendication11, dans lequel le rotor de joint (100) est formé à partir d'un matériau unique.
- Machine selon la revendication11, dans lequel le rotor (100) de joint est formé à partir de plus d'un matériau.
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