WO2016128659A1 - Roulement monté avec une bague extérieure en deux pièces en appui contre une butée du carter par l'intermédiaire d'un ressort exerçant une précharge axiale - Google Patents

Roulement monté avec une bague extérieure en deux pièces en appui contre une butée du carter par l'intermédiaire d'un ressort exerçant une précharge axiale Download PDF

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Philippe Bourdin
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    • F16C19/06—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly with a single row or balls
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps

Definitions

  • the present invention relates to the field of rotating machines, and more specifically the bearings for rotating machines.
  • Rotating machines, and especially turbopumps used in space applications require having one or two axial stops and one or more bearings for the radial suspension of the rotor of the rotating machine.
  • Bearing pairs are thus commonly used, performing both a bearing function for the rotor and axial stops. Three-point ball bearings can also be used. 0 Some rotating machines, including turbopumps, are designed with an axial balancing system called "active" allowing it to balance the forces without an axial stop must take the differential load of axial up to several tons. It is then necessary that the bearings can allow the shaft to slide5 so that the balancing system can be activated. The doublets of bearings make it possible to perform this function, whereas a bearing alone does not allow sufficient sliding.
  • the present invention proposes a bearing for rotating machine in an axial direction, comprising an inner ring mounted around a shaft and an outer ring mounted in a housing, between which rolling elements are arranged,
  • the outer ring comprises a first and a second half-rings
  • the first half-ring being fixed in translation in the axial direction relative to the housing
  • the second half-ring being slidably mounted in a housing between the first half-ring on the one hand, and a stop of the housing on the other hand, the abutment of the casing comprising a pre-load member exerting a thrust force on the second half-ring tending to position it in support against the first half-ring.
  • the pre-load member typically defines a threshold value of axial force so that, when an axial force greater than this threshold value is exerted in opposition to the thrust force exerted by the pre-load member, the second half-ring is no longer in axial abutment against the first half-ring.
  • the first half-ring typically comprises a base provided with an indexing element so as to immobilize the first half-ring in translation in the axial direction relative to the housing, said base bearing against the abutment of the housing, the second half-ring being disposed between the base of the first half-ring and the rolling elements.
  • the first half-ring is formed by machining the housing.
  • the first half-ring and the abutment of the housing define for example a maximum axial displacement of the second half-ring less than 2 mm.
  • the invention also relates to a spacecraft turbo pump comprising a bearing as defined above.
  • FIG. 1 shows an example of a bearing according to one aspect of the invention
  • FIG. 1 shows the bearing of Figure 1 according to another configuration
  • FIG. 3 and 4 show another embodiment of an aspect of the invention, in the configurations corresponding to Figures 1 and 2 respectively.
  • Figures 1 and 2 show an example of a bearing according to one aspect of the invention, in two different configurations.
  • FIGS. 1 show a rotating machine shaft 1 mounted in a casing 2.
  • the shaft 1 is rotatably mounted relative to the housing 2, or vice versa; the rotating machine is thus typically a machine with rotating casing or fixed casing.
  • the rotation of the rotating machine is in an axial direction defined by the shaft 1, and shown schematically in the figures by a Z-Z axis.
  • a bearing is disposed between the shaft 1 and the housing 2, thus ensuring the rotation of the shaft 1 relative to the housing 2 or vice versa.
  • the bearing comprises an inner ring 3 mounted around the shaft 1, and an outer ring 4 mounted in the casing 2, between which are disposed rolling elements 5, typically balls, held in a cage 6.
  • the inner ring 3 is fixed in translation in the axial direction relative to the shaft 1.
  • the inner ring 3 is disposed between a shoulder 11 of the shaft 1 on the one hand, and a sleeve 12 mounted around the shaft 1 on the other hand, it being understood that other means of immobilization in translation can be used.
  • the inner ring 3 is typically mounted tightly around the shaft 1.
  • the sleeve 12 is typically mounted tightly around the shaft 1.
  • the outer ring 4 is formed of two half-rings; a first half-ring 4A and a second half-ring 4B.
  • the first half-ring 4A is mounted fixed in translation relative to the casing 2 in the axial direction.
  • the second half-ring 4B is mounted free translationally relative to the casing 2 in the axial direction.
  • the second half-ring 4B is mounted to move in translation relative to the casing 2 in the axial direction; it is arranged in a housing delimited on the one hand by the first half-ring 4A, and secondly by a stop 21 of the housing 2.
  • the axial dimension of the housing is greater than the axial dimension of the second half-ring 4B, this difference in axial dimension determining the possible movement of the second half-ring 4B relative to the casing 2 in the axial direction.
  • FIGS. 1 and 2 show a clearance S between the second half-ring 4B and the stop 21 of the casing in FIG. 1, and between the second half-ring 4B and the first half-ring 4A in FIG.
  • the first half-ring 4A comprises a base 41A provided with an indexing element 42A, forming here a rib, adapted to cooperate with a complementary recess 22 of the casing 2 so as to immobilize the first half -bub 4A in translation in the axial direction relative to the housing 2.
  • the base 41A of the first half-ring 4A as shown bears against the abutment 21 of the casing 2, and thus defines the housing in which the second half-ring 4B is arranged, which is then disposed between the base 41A of the first half-ring 4A and bearing elements 6 of the bearing.
  • a pre-load member 7 is positioned so as to exert a thrust force on the second half-ring 4B tending to position it in abutment against the first half-ring 4A.
  • the pre-load member is mounted in abutment against the abutment 21 of the casing 2.
  • the pre-load member 7 is typically a spring or a washer.
  • the rotating machine is configured so that the axial loads acting on the bearing tend to move the second half-ring 4B towards the stop 21 of the casing 2, that is to say to move the second half 4B ring of the first half-ring 4A, and therefore to oppose the pushing force exerted by the pre-load member 7 on the second half-ring 4B.
  • the pre-load member 7 defines a threshold value of axial force, such that:
  • the second half-ring 4B deviates from the first half-ring 4A and moves towards the stop 21 of the housing 2, until it comes into contact with this stop 21 of the housing 2 as shown in Figure 2.
  • the bearing then operates with two points of contact, and can withstand significant axial forces.
  • the axial force applied to the bearing thus causes a sliding of the shaft 1 relative to the housing 2, marked by the clearance S in the figures, which can reach several millimeters, for example 2 mm or 1 mm.
  • the displacement of the shaft 2 is indicated by an arrow F in FIG.
  • the first half-ring 4A and the set S are typically configured so that when the second half-ring bears against the stop 21 of the casing 2, that is to say that the bearing is in the configuration shown in FIG. 2 and operates with two contact points, the first half-ring 4A does not disturb this operation in two contact points of the bearing, for example by dimensioning the first half-ring 4A and / or the set S in such a way as to to make sure that in this configuration in two points of contact, the first half-ring 4A does not come into contact with the rolling elements 5.
  • Figures 3 and 4 show a particular embodiment of the invention, wherein the first half-ring 4A is formed by machining the housing 2.
  • Figures 3 and 4 respectively take the configurations shown in Figures 1 and 2.
  • the first half-ring 4A is therefore integral with the casing 2, which is typically machined so as to obtain the desired dimensional tolerances.
  • the second half-ring 4B is unchanged compared to the embodiment shown in Figures 1 and 2.
  • This particular embodiment simplifies assembly by reducing the number of parts; it is indeed no longer necessary to immobilize the first half-ring 4A relative to the casing 2 insofar as the first half-ring 4A is integrated in the casing 2.
  • This embodiment is however more complex in terms of machining; its use can therefore be advantageous for certain applications.
  • the proposed bearing thus makes it possible to achieve by means of a single component a plurality of functions, namely a double axial abutment, a radial bearing for a rotating element, and to allow the shaft to slide relative to the casing up to several millimeters. for example for opening a nozzle for an active axial balancing system.
  • the proposed bearing can in particular be used on turbopumps of space machines, in that it makes it possible to achieve a saving in weight and bulk compared to a doublet of bearings, while performing equivalent functions.

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Abstract

Palier pour machine tournante selon une direction axiale (Z-Z), comprenant une bague interne (3) montée autour d'un arbre (1) et une bague externe (4) montée dans un carter (2), entre lesquelles sont disposés des éléments de roulement (5), caractérisé en ce que la bague externe (4) comprend une première et une seconde demi-bagues (4A, 4B), la première demi-bague (4A) étant fixe en translation selon la direction axiale par rapport au carter (2), la seconde demi-bague (4B) étant montée coulissante dans un logement entre la première demi-bague (4A) d'une part, et une butée (21) du carter (2) d'autre part, la butée (21) du carter (2) comprenant un organe de pré-charge (7) exerçant un effort de poussée sur la seconde demi-bague (4B) tendant à la positionner en appui contre la première demi-bague (4A).

Description

ROULEMENT MONTE AVEC UNE BAGUE EXTERIEURE EN DEUX PIECES EN APPUI CONTRE
UNE BUTEE DU CARTER PAR L'INTERMÉDIAIRE D'UN RESSORT EXERÇANT UNE PRÉCHARGE AXIALE
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
5
La présente invention concerne le domaine des machines tournantes, et plus précisément les paliers pour machines tournantes.
ETAT DE L'ART
0
Les machines tournantes, et notamment les turbopompes utilisées dans les applications spatiales, nécessitent d'avoir une, voire deux butées axiales ainsi que un ou plusieurs paliers pour la suspension radiale du rotor de la machine tournante.
5 On utilise ainsi communément des doublets de roulements, réalisant à la fois une fonction de palier pour le rotor et de butées axiales. Des roulements à bille à trois points de contact peuvent également être utilisés. 0 Certaines machines tournantes, et notamment des turbopompes, sont conçues avec un système d'équilibrage axial dit « actif » lui permettant d'équilibrer les efforts sans qu'une butée axiale ne doive reprendre le différentiel de charge axiale pouvant atteindre plusieurs tonnes. Il est alors nécessaire que les paliers puissent permettre à l'arbre de coulisser5 afin que le système d'équilibrage puisse s'activer. Les doublets de roulements permettent de réaliser cette fonction, tandis qu'un roulement seul ne permet pas de réaliser un coulissement suffisant.
Bien que les doublets de roulements permettent de réaliser les fonctions souhaitées, ils présentent toutefois des inconvénients, notamment en termes d'encombrement et de masse, qui sont fortement pénalisants en particulier pour des applications spatiales. La présente invention vise ainsi à obtenir les avantages et fonctionnalités d'un doublet de roulement au moyen d'un unique roulement. PRESENTATION DE L'INVENTION
A cet effet, la présente invention propose un palier pour machine tournante selon une direction axiale, comprenant une bague interne montée autour d'un arbre et une bague externe montée dans un carter, entre lesquelles sont disposés des éléments de roulement,
caractérisé en ce que la bague externe comprend une première et une seconde demi-bagues,
la première demi-bague étant fixe en translation selon la direction axiale par rapport au carter,
la seconde demi-bague étant montée coulissante dans un logement entre la première demi-bague d'une part, et une butée du carter d'autre part, la butée du carter comprenant un organe de pré-charge exerçant un effort de poussée sur la seconde demi-bague tendant à la positionner en appui contre la première demi-bague.
L'organe de pré-charge définit typiquement une valeur seuil d'effort axial de sorte que, lorsqu'un effort axial supérieur à cette valeur seuil est exercé en opposition à l'effort de poussée exercé par l'organe de pré-charge, la seconde demi-bague ne soit plus en butée axiale contre la première demi-bague.
La première demi-bague comprend typiquement une base munie d'un élément d'indexation de manière à immobiliser la première demi-bague en translation selon la direction axiale par rapport au carter, ladite base venant en appui contre la butée du carter, la seconde demi-bague étant disposée entre la base de la première demi-bague et les éléments de roulement. Selon un mode de réalisation particulier, la première demi-bague est formée par usinage du carter.
La première demi-bague et la butée du carter définissent par exemple un déplacement axial maximum de la seconde demi-bague inférieur à 2mm.
L'invention concerne également une turbopompe d'engin spatial comprenant un palier tel que défini précédemment.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des figures annexées, sur lesquelles :
- La figure 1 présente un exemple de palier selon un aspect de l'invention ;
- La figure 2 présente le palier de la figure 1 selon une autre configuration ;
- Les figures 3 et 4 présentent un autre mode de réalisation d'un aspect de l'invention, dans les configurations correspondant aux figures 1 et 2 respectivement.
Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE
Les figures 1 et 2 présentent un exemple de palier selon un aspect de l'invention, dans deux configurations différentes.
On représente sur ces figures un arbre 1 de machine tournante, monté dans un carter 2. L'arbre 1 est monté tournant par rapport au carter 2, ou inversement ; la machine tournante est ainsi typiquement une machine à carter tournant ou à carter fixe.
La rotation de la machine tournante est selon une direction axiale définie par l'arbre 1, et représentée schématiquement sur les figures par un axe Z-Z.
Un palier est disposé entre l'arbre 1 et le carter 2, assurant ainsi la rotation de l'arbre 1 par rapport au carter 2 ou inversement.
Le palier comprend une bague interne 3 montée autour de l'arbre 1, et une bague externe 4 montée dans le carter 2, entre lesquels sont disposés des éléments de roulement 5, typiquement des billes, maintenus dans une cage 6. La bague interne 3 est fixe en translation selon la direction axiale par rapport à l'arbre 1. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, la bague interne 3 est disposée entre un épaulement 11 de l'arbre 1 d'une part, et un manchon 12 monté autour de l'arbre 1 d'autre part, étant entendu que d'autres moyens d'immobilisation en translation peuvent être utilisés.
La bague interne 3 est typiquement montée serrée autour de l'arbre 1. Le manchon 12 est typiquement monté serré autour de l'arbre 1.
La bague externe 4 est formée de deux demi-bagues ; une première demi-bague 4A et une seconde demi-bague 4B.
La première demi-bague 4A est montée fixe en translation par rapport au carter 2 selon la direction axiale.
La seconde demi-bague 4B est quant à elle montée libre en translation par rapport au carter 2 selon la direction axiale.
Dans le mode de réalisation représenté, la seconde demi-bague 4B est montée mobile en translation par rapport au carter 2 selon la direction axiale ; elle est disposée dans un logement délimité d'une part par la première demi-bague 4A, et d'autre part par une butée 21 du carter 2. La dimension axiale du logement est supérieure à la dimension axiale de la seconde demi-bague 4B, cette différence de dimension axiale déterminant le mouvement possible de la seconde demi-bague 4B par rapport au carter 2 selon la direction axiale.
On repère ainsi sur les figures 1 et 2 un jeu S entre la seconde demi- bague 4B et la butée 21 du carter sur la figure 1, et entre la seconde demi-bague 4B et la première demi-bague 4A sur la figure 2.
Dans le mode de réalisation représenté, la première demi-bague 4A comprend une base 41A munie d'un élément d'indexation 42A, formant ici une nervure, adapté pour coopérer avec un évidement complémentaire 22 du carter 2 de manière à immobiliser la première demi-bague 4A en translation selon la direction axiale par rapport au carter 2.
La base 41A de la première demi-bague 4A telle que représentée vient en appui contre la butée 21 du carter 2, et définit ainsi le logement dans lequel est disposée la seconde demi-bague 4B, qui est alors disposée entre la base 41A de la première demi-bague 4A et les éléments de roulement 6 du palier.
Un organe de pré-charge 7 est positionné, de manière à exercer un effort de poussée sur la seconde demi-bague 4B tendant à la positionner en appui contre la première demi-bague 4A. Dans le mode de réalisation représenté, l'organe de pré-charge est monté en appui contre la butée 21 du carter 2.
L'organe de pré-charge 7 est typiquement un ressort ou une rondelle.
En fonctionnement, la machine tournante est configurée de sorte que les charges axiales s'exerçant sur le palier tendent à déplacer la seconde demi-bague 4B vers la butée 21 du carter 2, c'est-à-dire à écarter la seconde demi-bague 4B de la première demi-bague 4A, et donc à s'opposer à l'effort de poussé exercé par l'organe de pré-charge 7 sur la seconde demi-bague 4B.
L'organe de pré-charge 7 définit une valeur seuil d'effort axial, telle que :
- Lorsque l'effort axial est inférieur à cette valeur seuil, la seconde demi-bague 4B demeure en appui contre la première demi-bague 4A, comme représenté sur la figure 1. Le palier fonctionne alors avec trois points de contact, et est dans un état potentiellement instable du fait de son basculement possible dans la seconde configuration décrite ci-après.
- Lorsque l'effort axial est supérieur à cette valeur seuil, la seconde demi-bague 4B s'écarte de la première demi-bague 4A et se déplace vers la butée 21 du carter 2, jusqu'à venir au contact de cette butée 21 du carter 2 comme représenté sur la figure 2. Le palier fonctionne alors avec deux points de contact, et peut supporter des efforts axiaux importants.
L'effort axial appliqué sur le palier entraine donc un coulissement de l'arbre 1 par rapport au carter 2, repéré par le jeu S sur les figures, pouvant atteindre plusieurs millimètres, par exemple 2 mm ou encore 1 mm. Le déplacement de l'arbre 2 est indiqué par une flèche F sur la figure 2.
Lorsque l'effort axial diminue ou change de sens, la seconde demi-bague 4B revient en butée contre la première demi-bague 4A, et le palier reprend alors un fonctionnement à trois points de contact.
La première demi-bague 4A et le jeu S sont typiquement configurés de manière à ce que, lorsque la seconde demi-bague est en appui contre la butée 21 du carter 2, c'est-à-dire que le palier est dans la configuration représentée sur la figure 2 et fonctionne avec deux points de contact, la première demi-bague 4A ne perturbe pas ce fonctionnement en deux points de contact du palier, par exemple en dimensionnant la première demi-bague 4A et/ou le jeu S de manière à s'assurer que dans cette configuration en deux points de contact, la première demi-bague 4A ne vienne pas au contact des éléments de roulement 5.
Les figures 3 et 4 présentent un mode de réalisation particulier de l'invention, dans lequel la première demi-bague 4A est formée par usinage du carter 2. Les figures 3 et 4 reprennent respectivement les configurations présentées sur les figures 1 et 2.
La première demi-bague 4A est donc venue de matière avec le carter 2, qui est typiquement usiné de manière à obtenir les tolérances dimensionnelles souhaitées. La seconde demi-bague 4B est quant à elle inchangée par rapport au mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2.
Ce mode de réalisation particulier permet de simplifier le montage en réduisant le nombre de pièces ; il n'est en effet plus nécessaire d'immobiliser la première demi-bague 4A par rapport au carter 2 dans la mesure où la première demi-bague 4A est intégrée au carter 2. Ce mode de réalisation est toutefois plus complexe en termes d'usinage ; son utilisation peut donc être avantageuse pour certaines applications.
Le fonctionnement de ce mode de réalisation est identique à celui présenté en référence aux figures 1 et 2, et n'est pas repris ici en détail.
Le palier proposé permet ainsi de réaliser au moyen d'un composant unique une pluralité de fonctions, à savoir une double butée axiale, un palier radial pour un élément tournant, et permettre un coulissement de l'arbre par rapport au carter pouvant atteindre plusieurs millimètres, par exemple pour l'ouverture d'un ajutage pour un système d'équilibrage axial actif.
Le palier proposé peut notamment être utilisé sur des turbopompes de machines spatiales, en ce qu'il permet de réaliser un gain de masse et d'encombrement par rapport à un doublet de roulements, tout en réalisant des fonctions équivalentes.

Claims

Revendications
1. Palier pour machine tournante selon une direction axiale (Z-Z), comprenant une bague interne (3) montée autour d'un arbre (1) et une bague externe (4) montée dans un carter (2), entre lesquelles sont disposés des éléments de roulement (5),
caractérisé en ce que la bague externe (4) comprend une première et une seconde demi-bagues (4A, 4B),
la première demi-bague (4A) étant fixe en translation selon la direction axiale par rapport au carter (2),
la seconde demi-bague (4B) étant montée coulissante dans un logement entre la première demi-bague (4A) d'une part, et une butée (21) du carter (2) d'autre part, la butée (21) du carter (2) comprenant un organe de pré-charge (7) exerçant un effort de poussée sur la seconde demi-bague (4B) tendant à la positionner en appui contre la première demi-bague (4A).
2. Palier selon la revendication 1, dans lequel l'organe de pré-charge (7) définit une valeur seuil d'effort axial de sorte que, lorsqu'un effort axial supérieur à cette valeur seuil est exercé en opposition à l'effort de poussée exercé par l'organe de pré-charge (7), la seconde demi-bague (4B) ne soit plus en butée axiale contre la première demi-bague (4A).
3. Palier selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la première demi-bague (4A) comprend une base (41A) munie d'un élément d'indexation (42A) de manière à immobiliser la première demi-bague (4A) en translation selon la direction axiale (Z-Z) par rapport au carter (2), ladite base (41A) venant en appui contre la butée (21) du carter (2), la seconde demi-bague (4B) étant disposée entre la base (41A) de la première demi-bague (4A) et les éléments de roulement (5).
4. Palier selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la première demi-bague (4A) est formée par usinage du carter.
5. Palier selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la première demi-bague (4A) et la butée (21) du carter (2) définissent un déplacement axial (S) maximum de la seconde demi-bague (4B) inférieur à 2mm.
6. Turbopompe d'engin spatial, comprenant un palier selon l'une des revendications 1 à 5.
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