L'invention concerne les roues à aubes de compression ou roues aubées, destinées à la compression mécanique d'un gaz et concerne plus particulièrement la fixation des roues à aubes sur un arbre rotatif d'un compresseur.
Une roue à aubes de compresseur comprend classiquement un moyeu par lequel la roue vient se fixer sur l'arbre du compresseur et une couronne de base, à partir de laquelle s'étendent radialement les aubes, liée au moyeu.
Généralement, une roue à aubes de compresseur est frettée à chaud sur l'arbre rotatif du compresseur. Le serrage est alors calculé afin d'être suffisant dans tous les cas de figure pour absorber, à pleine vitesse, tous les efforts appliqués sur la roue qu'ils soient aérodynamiques, dus à la poussée, ou au couple transmis.
Il est connu de prévoir des arrangements mécaniques utilisant des systèmes mécaniques flexibles de par leur forme et leur épaisseur notamment en ce qui concerne les moyeux pour absorber les efforts appliqués sur la roue mais, dans tous les cas, la couronne de base portant les aubes de la roue est fixée rigidement au moyeu déformable.
Les documents
Au vu de ce qui précède, il est proposé de pallier les inconvénients des roues à aubes selon l'état de la technique en proposant une roue à aubes comportant une couronne de base libre de se déformer radialement par rapport au moyeu, la roue à aubes comportant également un flasque couplé à la couronne de base via les aubes, le flasque et la couronne de base possédant une masse identique.
Selon un aspect, il est proposé une roue à aubes destinée à être montée sur un arbre rotatif comprenant une couronne de base pourvue d'aubes en saillie sur une face de la couronne de base, et un moyeu annulaire apte à être couplé à la couronne de base et à l'arbre rotatif.
Selon une caractéristique générale, la roue à aubes comprend un plateau annulaire, et le moyeu, le plateau et la couronne de base sont configurés pour coopérer ensemble de manière à maintenir axialement la couronne de base et à conserver une liberté de déformation radiale de la couronne de base par rapport au moyeu et au plateau.
Les pièces de fixation mécanique, constituées du plateau et du moyeu, et la couronne de base peuvent ainsi posséder de grosses dilatations différentielles. En effet, le moyeu et le plateau étant assemblés avec la couronne de base de manière à conserver une liberté de déformation radiale de la couronne de base par rapport au moyeu et au plateau, la couronne de base peut se dilater radialement indépendamment de la dilatation du moyeu et du plateau, c'est-à-dire que la dilatation de la couronne de base peut être différente de la dilatation du plateau et du moyeu. Il est ainsi possible d'utiliser des matériaux différents entre la couronne de base et les pièces de fixation mécaniques. Il est notamment possible d'utiliser des matériaux hautes performances pour la couronne de base qui ne peuvent généralement pas être montés frettés sur l'arbre, tandis que les pièces de fixation, c'est-à-dire le moyeu et le plateau, sont réalisés dans des matériaux qui peuvent être frettés sur l'arbre rotatif.
De préférence, la couronne de base comprend une clavette circulaire sur son périmètre intérieur apte à coopérer avec une première encoche réalisée dans le moyeu et une seconde encoche réalisée dans le plateau, la première et la seconde encoche étant disposée en regard l'une de l'autre de sorte que la clavette circulaire de la couronne de base soit retenue dans les encoches lorsque le moyeu, le plateau et la couronne de base sont assemblés.
La clavette circulaire, la première encoche et la seconde encoche sont dimensionnées de sorte que, d'une part, la clavette circulaire soit maintenue axialement sans liberté de déplacement axial et ainsi assurer le centrage de la couronne de base axialement, et, que d'autre part, la clavette circulaire puisse se déplacer radialement dans un espace défini par les encoches notamment lorsque la couronne de base se dilate. Pour cela, les dimensions radiales des première et seconde encoches possèdent préférentiellement des dimensions plus grandes que les dimensions radiales de la clavette circulaire, et les dimensions axiales de la clavette circulaire sont égales à l'espace axial définit par la première et la seconde encoche lorsque le moyeu et le plateau sont assemblées.
Avantageusement, la clavette circulaire peut comprendre deux joints toriques externes respectivement disposés de part et d'autre de la couronne de base sur la surface radiale externe de la clavette circulaire, et deux joints toriques internes respectivement disposés de part et d'autre de la couronne de base sur la surface radiale interne de la clavette circulaire.
Les deux joints toriques internes permettent de fournir un centrage radial de la couronne de base à froid, c'est-à-dire alors que la roue à aubes est à l'arrêt, grâce à son diamètre interne. Les deux joints toriques externes permettent de conserver le centrage de la couronne de base lors de la mise en rotation de la roue à aubes entraînant une dilatation de la couronne de base plus importante que la dilatation des pièces de fixation, c'est-à-dire du plateau et du moyeu. Le centrage radial est conservé grâce à la déformation naturelle des joints toriques internes et externes lors de la montée en vitesse de rotation de l'arbre rotatif. A pleine vitesse de rotation, le centrage de la couronne de base est conservé grâce au diamètre externe de la clavette circulaire.
Au lieu des deux joints toriques internes disposés de part et d'autre de la couronne de base sur la surface interne de la clavette circulaire, la clavette circulaire peut comprendre un seul joint torique interne disposé sur la surface interne de la clavette circulaire de manière centré. Cependant, l'utilisation de deux joints toriques internes permet un meilleur équilibrage.
La roue à aubes peut avantageusement comprendre des moyens de guidage radial aptes à limiter les frottements entre la couronne de base et le moyeu, et entre la couronne de base et le plateau lors de la déformation radiale de la couronne de base.
Les frottements entre la couronne de base et le moyeu peuvent entraîner une dégradation des pièces de fixation mécanique et/ou de la couronne de base. En effet, les frottements peuvent entraîner l'apparition de fissures dans la couronne de base et/ou dans le plateau et/ou le moyeu.
De préférence, les moyens de guidage radial comprennent sur chacune des faces axiales de la couronne de base au moins une rainure circulaire disposée dans la clavette circulaire, les rainures circulaires comprenant chacune un joint torique ou des moyens de roulement.
La clavette circulaire comprend ainsi au moins une rainure en regard de la première encoche réalisée dans le moyeu et au moins une rainure en regard de la seconde encoche réalisée dans le plateau. Les moyens de roulement, tels que des billes, des rouleaux, ou des roulettes par exemple, ou les joints toriques sont insérés dans les rainures circulaires et sont dimensionnés de manière à ce que, sur les faces axiales de la couronne de base, la clavette circulaire ne soit pas directement en contact avec le plateau d'un côté et avec le moyeu de l'autre côté.
Dans une variante, la seconde encoche réalisée dans le plateau comprend une surface de contact radial externe oblique, la surface radiale externe de la clavette comprend une portion oblique correspondante en regard de la surface de contact radial externe oblique du plateau, et le plateau est assemblé avec le moyeu de manière à pouvoir se déformer et s'écarter du moyeu sur une portion distale radiale lors de la déformation radiale de la couronne de base.
Ainsi lorsque la couronne de base se dilate radialement par rapport au moyeu avec l'augmentation de la vitesse de rotation, la clavette circulaire exerce une force radiale sur le plateau et notamment sur la surface de contact radiale externe oblique. La force ainsi appliquée par la clavette circulaire sur la surface de contact radiale externe oblique entraîne, grâce à la flexibilité du plateau et notamment de sa partie distale, l'écartement du plateau par rapport au moyeu et donc un accroissement de l'espace entre les deux encoches. Le point d'appui entre la surface radiale externe de la clavette circulaire et la surface de contact radial externe oblique du plateau se déplace alors permettant à la fois la dilatation radiale de la couronne et l'application d'une force axiale de maintien par la partie distale du plateau sur la clavette circulaire vers le moyeu, ce qui permet de maintenir le centrage de la couronne de base.
Avantageusement, le plateau peut comprendre des moyens de centrage et le moyeu peut comprendre des moyens de centrage complémentaires aptes à coopérer avec les moyens de centrage.
Les moyens de centrage et les moyens de centrage complémentaires permettent ainsi d'assembler le moyeu et le plateau de manière centrée radialement, c'est-à-dire par rapport à l'axe de rotation de la roue à aubes, et ainsi d'obtenir une force de maintien axiale uniforme appliquée sur la couronne de base permettant le centrage axial de la couronne de base.
Les moyens de centrage peuvent avantageusement comprendre un anneau de centrage fixé sur le plateau et comportant une denture en regard du moyeu, et les moyens de centrage complémentaires comprennent un anneau de centrage complémentaire fixé sur le moyeu et comportant une denture complémentaire en regard du plateau apte à coopérer avec la denture de l'anneau de centrage.
L'anneau de centrage et l'anneau de centrage complémentaire peuvent correspondre à un engrenage axial tel qu'une denture de type Hirth®.
Dans une variante, les moyens de centrage peuvent comprendre une portion proximale du plateau en saillie conique en regard du moyeu et ayant pour axe l'arbre rotatif, et les moyens de centrage complémentaires comprennent dans le moyeu un évidement conique en regard du plateau ayant pour axe l'arbre rotatif, la portion en saillie conique et l'évidement conique étant apte à coopérer lors de l'assemblage du plateau avec le moyeu.
Dans le cas où le moyeu est fretté ou intégré à l'arbre rotatif et le plateau reste libre par rapport à l'arbre rotatif, la transmission du couple entre l'arbre et le plateau peut être réalisée par friction entre la portion en saillie conique du plateau et l'évidement conique du moyeu, ou bien par l'utilisation d'un pion ou d'une clavette entre le moyeu et le plateau.
Avantageusement, le moyeu peut être disposé sur une première portion d'arbre et le plateau peut être disposé sur une seconde portion d'arbre, la première portion d'arbre et la seconde portion d'arbre étant solidarisés par des moyens de fixation de manière à solidariser le moyeu et le plateau.
La première portion d'arbre peut ainsi comprendre un orifice fileté selon l'axe de rotation de l'arbre sur l'embout en regard de la seconde portion d'arbre, et la seconde portion d'arbre peut comprendre sur l'embout en regard de la première portion d'arbre une vis dont le filetage correspond au filetage de l'orifice de la première portion d'arbre.
Pour solidariser le couple le plateau et le moyeu, la roue à aubes peut également comprendre une bride de fixation boulonnée apte à solidariser le plateau avec le moyeu. La bride de fixation peut par exemple être traversante dans le plateau et filetée dans le moyeu de manière à fixer une vis dans le moyeu au travers du plateau, avec la tête de la vis en appui sur une face du plateau.
Selon l'invention, la roue à aubes comprend un flasque couplé à la couronne de base via les aubes, le flasque et la couronne de base possédant une masse identique.
L'égalité des masses du flasque et de la couronne de base permet d'obtenir un effort centrifuge quasi symétrique de part et d'autre de la liaison avec les aubes. Les contraintes dans la couronne de base sont ainsi moins importantes, et on favorise ainsi une déformation quasi radiale de la couronne de base qui n'est bloquée qu'axialement sur l'arbre grâce au plateau et au moyeu.
Le moyeu peut être fretté ou intégré sur au moins une partie de l'arbre rotatif du compresseur.
Le plateau peut également être fretté ou intégré sur au moins une partie de l'arbre rotatif du compresseur.
Selon un autre aspect, il est proposé, dans un mode de réalisation, un groupe moto-compresseur comprenant un moteur, un compresseur et un carter commun étanche au gaz à comprimer dans lequel sont montés le moteur et le compresseur, le compresseur comprenant au moins une roue à aubes comme défini ci-dessus.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
Sur la
On notera toutefois que l'application illustrée à la
Le groupe moto-compresseur illustré sur la
Le groupe moto-compresseur comporte ici un unique étage de compression constitué par les roues radiales à aubes 4 qui assure l'aspiration d'un gaz délivré à partir d'une conduite d'entrée 5 pour provoquer un accroissement de sa pression et le délivrer en sortie 5'.
Dans l'exemple de réalisation représenté, le rotor 2 est supporté par deux paliers d'extrémité 6 et 7. Tel est également le cas de l'arbre rotatif 3 qui est également supporté par deux paliers d'extrémités 8 et 9. Ainsi, selon cet agencement, le rotor 2 et l'arbre rotatif 3 sont reliés par un accouplement flexible 10. Le rotor et l'arbre rotatif pourraient également être reliés par un accouplement fixe. Dans ce cas, l'un des paliers, tels que 7 et 8, pourrait être omis.
Enfin, l'ensemble, c'est-à-dire le moteur 1 et l'étage de compression est disposé dans un carter commun 11 étanche au gaz manipulé par le compresseur. En d'autres termes, le moteur 1 est ici à la pression d'aspiration du groupe moto-compresseur.
Les
La roue à aubes 4 comprend trois parties distinctes : une couronne de base 12, un moyeu 13, un plateau 14.
La couronne de base 12 comprend une partie distale 12a et une partie proximale 12b par rapport à son axe de rotation confondu avec l'axe de rotation de l'arbre rotatif 3. La couronne de base 12 s'étend dans un plan orthogonal à son axe de rotation et comprend une première face 12f et une face opposée à la 12o. La couronne de base 12 comporte, principalement sur sa partie distale 12a, des aubes 15 en saillie sur la première face 12f de la couronne de base 12 en regard d'un flasque 16.
Le flasque 16 comprend une partie distale 16a et une partie proximale 16b par rapport à son axe de rotation confondu avec l'axe de rotation de l'arbre rotatif 3. La partie distale 16a du flasque 16 est disposée de manière parallèle à la partie distale 12a de la couronne de base 12 et est couplée aux aubes 15 sur une face 16f en regard de la couronne de base 12.
Le flasque 16 et la couronne de base 12 possèdent une masse similaire de façon à obtenir un effort centrifuge quasi symétrique de part et d'autre de la liaison avec les aubes 15. Les contraintes dans la couronne de base 12 sont ainsi moins importantes, et l'on favorise ainsi une déformation quasi radiale de la couronne de base 12.
La couronne de base 12 comporte sur sa partie proximale 12b une clavette circulaire 17. La clavette circulaire 17 est notamment disposée le long du périmètre intérieur de la couronne de base 12. La clavette circulaire 17 comprend dans cet exemple une section de forme générale en carré.
Le moyeu 13 possède une forme annulaire dont l'axe de rotation est confondu avec l'axe de l'arbre rotatif 3. Le moyeu 13 possède une face d'appui 13f orthogonale à l'axe de l'arbre rotatif 3 et destinée à être en regard du plateau 14, une portion distale 13a et une portion proximale 13b par rapport à son axe de rotation.
Le plateau 14 possède également une forme annulaire dont l'axe de rotation est confondu avec l'axe de l'arbre rotatif 3. Le plateau comprend une face d'appui 14f orthogonale à l'axe de l'arbre rotatif 3 et destinée à être en regard du moyeu 13, une portion distale 14a et une portion proximale 14b par rapport à son axe de rotation.
Le moyeu 13 comporte sur la partie distale 13a de sa face d'appui 13f une première encoche 18 apte à recevoir en partie la clavette circulaire 17. Le plateau comporte sur la partie distale 14a de sa face d'appui 14f une seconde encoche 19 apte à recevoir en partie la clavette circulaire 17. La première encoche 18 et la seconde encoche 19 sont réalisées de manière à être en regard l'une de l'autre avec des dimensions identiques de sorte que la seconde encoche 19 est symétrique à la première encoche 19 par rapport à l'axe défini par les faces d'appuis 13f et 14f lorsque le moyeu et le plateau sont en contact.
Les encoches 18 et 19 peuvent ne pas être symétriques par rapport à la clavette circulaire 17, tant que la jonction entre la clavette circulaire 17 et le reste de la couronne de base 12 est centré par rapport à la couronne de base 12. Les encoches 18 et 19 peuvent ainsi comporter des formes complémentaires de manière à maintenir axialement la clavette circulaire 17 et à définir un passage pour la jonction entre la clavette circulaire 17 et le reste de la couronne de base 12, la jonction étant centrée par rapport à la clavette circulaire 17 et le reste de la couronne de base 12.
Dans ce mode de réalisation, les encoches 18 et 19 sont dimensionnées de manière à maintenir la clavette circulaire 17 axialement, c'est-à-dire à être en appui avec la clavette circulaire 17 dans une direction parallèle à l'axe de rotation de la couronne de base 12.
La clavette circulaire 17 peut comprendre une section de forme différente de la forme carrée, comme par exemple une forme hexagonale, octogonale, ou toute autre forme apte à coopérer avec les première et seconde encoches 18 et 19.
En revanche, les dimensions radiales des encoches 18 et 19 sont plus grandes que la dimension de la clavette circulaire 17 dans une direction orthogonale à l'axe de rotation de la couronne de base 12. Ceci de manière à conserver une liberté de déplacement radial de la clavette circulaire 17 notamment lorsque la couronne de base 12 se déforme avec la vitesse de rotation.
Le centrage radial à froid de la couronne de base 12, c'est-à-dire lorsque la roue à aubes 4 est à l'arrêt ou à faible vitesse, est réalisé grâce au diamètre interne de la clavette circulaire 17, tandis que le centrage de la couronne de base 12 à pleine vitesse est réalisé grâce au diamètre externe de la clavette circulaire, après que la couronne de base s'est dilatée.
La clavette circulaire 17 comprend une surface radiale interne 17i orientée vers l'axe de rotation de la couronne de base et une surface radiale externe 17e opposée à la surface radiale interne 17i. La clavette circulaire 17 comprend sur sa surface radiale externe 17e deux joints toriques externes 20. Les deux joints toriques externes 20 sont respectivement disposés de part et d'autre de la couronne de base 12, c'est-à-dire l'un du côté de la première face 12f de la couronne de base 12 et l'autre du côté opposé 12o.
De la même manière, la clavette circulaire 17 comprend sur sa surface radiale interne 17i deux joints toriques internes 21 respectivement disposés de part et d'autre de la couronne de base 12, c'est-à-dire symétriquement de part et d'autre du plan dans lequel s'étend la couronne de base 12.
Ainsi, au démarrage, la couronne de base 12 est centrée radialement grâce au diamètre interne de la clavette circulaire 17. En rotation, la couronne de base 12 peut se déformer plus rapidement que le moyeu 13 et le plateau 14 qui constituent les éléments de fixation, et cela avec de légères contraintes de retenu dues aux efforts de frottement au niveau du guidage radial entre la clavette circulaire 17 et le moyeu, d'une part, et entre la clavette circulaire 17 et le plateau 14, d'autre part. Dans cette phase transitoire, le centrage est conservé grâce aux deux joints toriques externes 20 et aux deux joints toriques internes 21 se déformant naturellement. Lorsque la vitesse de fonctionnement est atteinte, le gonflement radial maximum de la couronne de base 12 est atteint, le plateau et le moyeu sont configurés pour permettre à la couronne de base d'être centrée grâce au diamètre externe de la clavette circulaire 17.
Lorsque la vitesse diminue, la couronne de base 12 reproduit la déformation opposée jusqu'à être de nouveau centrée à basse vitesse.
Le moyeu 13 est intégré à une première portion d'arbre 4a et le plateau 14 est intégré à une seconde portion d'arbre 3b. Le moyeu 13 et le plateau 14 pourraient également être frettés respectivement sur la première et la seconde portions d'arbre 3a et 3b. L'assemblage du moyeu 13 avec le plateau 14 est réalisé par vissage de la seconde portion d'arbre 3b dans la première portion d'arbre 3a, la première portion d'arbre 3a comportant un orifice fileté selon son axe de rotation sur un embout en regard de la seconde portion d'arbre 3b, et la seconde portion d'arbre 3b comportant un embout en regard de la première portion d'arbre 3a possédant un pas de vis correspondant au filetage de l'orifice de la première portion d'arbre 3a.
On pourrait également, en variante, utiliser une bride de fixation boulonnée pour solidariser le plateau avec le moyeu, comme cela sera décrit en référence à la
Le centrage du moyeu 13 avec le plateau 14 est réalisé à l'aide d'un engrenage axial, par exemple à l'aide d'un système de denture Hirth®. Le plateau 14 comprend un anneau de centrage 22a fixé sur la face d'appui 14f du plateau 14. Le moyeu 13 comprend un anneau de centrage complémentaire 22b fixé sur la face d'appui 13f du moyeu 13. Lors de l'assemblage du moyeu 13 et du plateau 14, l'anneau de centrage 21a coopère avec l'anneau de centrage complémentaire 21b pour le centrage radial, et ainsi faire correspondre radialement les première et seconde encoches 18 et 19.
Sur la
Dans ce mode de réalisation, la clavette circulaire 17' comprend des moyens de guidage radial permettant d'éviter les frottements entre la clavette circulaire 17' et le moyeu 13 d'une part, et entre la clavette circulaire 17' et le plateau 14 d'autre part. Les moyens de guidage radial comprennent sur la première face 12f et la face opposée 12o de la couronne de base 12 au moins une rainure circulaire 23 disposée dans la clavette circulaire 17'. Chaque rainure circulaire 23 comprend des billes 24 de roulement permettant de séparer la clavette circulaire 17' du moyeu 13 d'une part, et la clavette circulaire 17' du plateau 14 d'autre part.
Ce mode de réalisation diffère également de celui représenté sur les
La roue à aubes 4 illustrée sur la
Pour centrer le plateau 14 et le moyeu 13, le plateau 14 comprend une portion en saillie 29 sur sa partie proximale 14b. La partie en saillie s'étend vers le moyeu 13 avec une forme conique à section décroissante. Le moyeu 13 comprend un évidement 30 complémentaire réalisé dans sa partie proximale 13b avec une forme conique apte à coopérer avec la portion en saillie 29 du plateau 14.
Avec de tels moyens de centrage, la roue à aubes 4 pourrait ne pas comprendre de bride de fixation boulonnée 24, la transmission du couple entre le moyeu 13 et le plateau 14 pouvant se faire par friction entre la partie en saillie 29 et les surfaces du moyeu 13 délimitant l'évidement 30, ou bien en montant un pion ou une clavette entre le moyeu 13 et le plateau 14.
Les
Dans ce mode de réalisation, la seconde encoche 19 réalisée dans le plateau 14 comprend une surface de contact radial externe 31 oblique de manière à former un angle obtus avec la face de l'encoche 32 en regard du moyeu 13.
En correspondance, la surface radiale externe 17"e de la clavette circulaire 17" comprend une portion oblique regard et parallèle à la surface de contact radial externe 31 oblique du plateau 14. En variante, la clavette circulaire 17" peut comporter une section de forme hexagonale, l'une des faces de la clavette circulaire 17" étant parallèle et en regard de la surface de contact radial externe 17"e.
Le plateau 14 est solidarisé avec le moyeu 13 à l'aide d'une bride de fixation 24". La bride de fixation 24" est montée sur le plateau 14 au niveau de la partie proximale 14b de sorte que le plateau 14 puisse se déformer et s'écarter du moyeu 13 sur une portion distale 14a lors de la déformation radiale de la couronne de base 12.
Dans un mode de réalisation, on pourrait également prévoir une autre surface oblique pratiquée dans le moyeu, à l'endroit de l'angle formé par l'encoche 18 et une surface au contact radial correspondante 31 oblique dans la clavette circulaire 17 » (
Comme cela est illustré sur la
L'invention ne se limite pas à ces trois différents de réalisation. Elle comprend également toutes les combinaisons possibles entre ces modes de réalisation.
L'invention permet ainsi de fournir une roue à aubes avec une couronne de base possédant une liberté de déformation radiale, et une possibilité d'utiliser des matériaux pour la couronne de base qui ne sont pas utilisables pour les pièces de fixation.
Enfin, en se référant maintenant à la
Sur cette
On notera par ailleurs que, dans ce mode de réalisation, la clavette circulaire 17 est dotée d'un ensemble de surfaces de contact radial coopérant avec des surfaces obliques correspondantes pratiquées sur le moyeu, d'une part et sur le plateau, d'autre part.
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