EP1617046B1 - Ensemble comprenant un arbre rotatif et un palier à roulement - Google Patents

Ensemble comprenant un arbre rotatif et un palier à roulement Download PDF

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EP1617046B1
EP1617046B1 EP05105982A EP05105982A EP1617046B1 EP 1617046 B1 EP1617046 B1 EP 1617046B1 EP 05105982 A EP05105982 A EP 05105982A EP 05105982 A EP05105982 A EP 05105982A EP 1617046 B1 EP1617046 B1 EP 1617046B1
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EP
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ring
shaft
bearing
whereof
assembly according
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EP05105982A
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German (de)
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EP1617046A1 (fr
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Jean-Philippe Maffre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/60—Assembly methods
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/70—Interfitted members
    • Y10T403/7026—Longitudinally splined or fluted rod

Definitions

  • the present invention relates to an assembly comprising a shaft or a rotating shaft portion about its axis and a rolling bearing by which it is supported.
  • the present invention applies in particular to the mounting of a bearing for a turbine shaft a gas turbine engine.
  • FIG. 1 shows a partial view of a gas turbine engine 1.
  • the high pressure turbine rotor 2 is immediately downstream of the combustion chamber 3 and is rotated by the action of the gases which are derived from the blades 4 mounted on the disk 5 of the rotor 2.
  • the turbine disc 5 is integral with a pin 6, disposed downstream relative to the direction of the gas flow.
  • a bearing by which the rotating assembly is supported At the end of the pin 6 is mounted a bearing by which the rotating assembly is supported.
  • the rotor 2 is integral upstream of a drum 7 connected to the high pressure compressor, not shown, itself rotated by an upstream bearing.
  • This rotating assembly forming the high pressure body of the engine is supported by means of these two bearings either by the fixed structure of the engine in the case of a single-body engine or by another rotating assembly in the case of a double or triple body motor for independent low pressure or intermediate pressure stages.
  • the inner ring is secured to the shaft or journal by hooping. By this operation the ring is mounted with clamping on the shaft or trunnion.
  • the coupling can thus both withstand the rotational torques to which the ring is subjected during engine operation as axial forces.
  • Such an assembly is disclosed in the document FR 2 629 537.
  • the applicant has therefore set as a first objective a method of assembling a rolling bearing ring, the shaft on which it is mounted to overcome these disadvantages by providing the same mechanical characteristics as those proposed by a nut .
  • the applicant has also set as another objective the realization of a method of assembling a rolling bearing ring on a shaft, which is both easy to assemble and disassemble.
  • the invention solves this problem with an assembly according to claim 1 and comprising a rotary shaft and a rolling bearing, the bearing comprising a ring integral with the shaft and forming a raceway for the bearing members of the bearing, characterized by the that the ring is immobilized in rotation on the shaft by a coupling consisting of a plurality of teeth on the shaft cooperating with tenons integral with the ring, the tenons being housed between said teeth, and in the axial direction by a transverse rod in the form of a ring portion.
  • shaft designates a shaft, a shaft portion, a trunnion or more generally any part on which a rolling bearing is mounted.
  • the nut in the case of a bearing assembly at the end of the trunnion on the side of its free end, the nut, because of the assembly constraints, must be placed in abutment against the ring on its edge near the end free of the trunnion, can be arranged a clutch coupling on the opposite side relative to the free end.
  • the corresponding portion of the trunnion can thus be shortened.
  • the axial retaining means can be associated with the clutch coupling.
  • the coupling consists of a plurality of teeth, respectively tenons, spaced apart from each other along the circumference of the shaft.
  • the number of teeth and associated tenons, as well as the size thereof, are determined by the circumferential loads that the coupling is called to support during the operation of the engine.
  • it advantageously has the elements symmetrically around the axis of the shaft.
  • the rolling bearing can be any, ball, roller or other.
  • a bearing comprises at least two concentric rings: an inner ring and an outer ring, between which are arranged a plurality of rolling members, for example rollers, held apart from each other by a cage.
  • the rings each define a rolling track for the rolling members
  • the ring is made of an elastic material. It takes a first form in radial extension and where it constitutes said axial retention between the shaft and the ring, and a radially retracted form where it allows the axial displacement of the ring relative to the shaft.
  • the rod in the retaining position, is arranged to be in contact with both a tooth and at least one tenon.
  • the shaft comprises a cylindrical portion forming an outer radial abutment of the free end of the tenon or tenons.
  • FIG. 2 shows a pin 16 or a turbine shaft connected to the turbine rotor, not shown, according to the invention.
  • Figure 6 partially shows a representation of the arrangement of Figure 2 perspective view.
  • the trunnion comprises a flange with bores 161 by which is bolted to 161 the turbine rotor.
  • the trunnion also comprises a straight cylinder 162 for mounting an inner rolling bearing ring 18.
  • the ring 18 comprises an inner cylindrical member 181 on the cylindrical portion 162 of the trunnion.
  • the track 182 comprises an outer bearing for the rolling members, here rollers, not shown, as well as the rest of the bearing.
  • the ring is extended, along the common axis of the ring and the shaft, by tenons 17.
  • These tenons 17 are clearly visible in Figure 3 which is a partial perspective view of the ring 18
  • Each tenon has an internal groove 171, facing the axis of the ring and transversely thereto. The tenons are distributed here over the entire ring 17 with a determined spacing corresponding to the width of the teeth described below.
  • the ring 18 is abutted by the surface 172, oriented transversely to the axis, against an axial abutment 167 formed on the cylindrical portion 162.
  • the surface 172 is clearly shown in Figure 4 showing the end of the trunnion in a view in perspective, in isolation.
  • Radial teeth 164 are disposed at the periphery thereof, being spaced apart from each other with a spacing corresponding to the width of the tenons 17.
  • the tenons 17 are placed between the teeth 164, the ring being supported by the face 172 against the face 167 forming a stop.
  • the ring 18 and the trunnion 16 thus form a dog clutch coupling. By this coupling the ring is firmly immobilized in rotation, even if the tightening of the ring on the shaft is weakened.
  • the teeth are aligned transversely to the axis of the shaft and provide a transverse groove 166, radially open, the opposite side to that of the faces 165.
  • the groove 166 is screwed to grooves 171 formed on the tenons 17.
  • a ring 19, transverse to the axis is housed in the continuity of the grooves 171, and forms said axial retaining means. Indeed, being housed in all the grooves 171, its height is sufficient to engage against all the teeth 164. As seen in Figure 2, it prevents any withdrawal movement of the ring towards the right on the figure.
  • Figure 7 shows an enlarged detail of Figure 6, the rod 19 in the locking position.
  • This ring has a rectangular section here. It extends on the circumference. It forms a ring with a missing portion. It is elastic, preferably metal, and can be retracted by appropriate means to be housed in the groove 166 of the pin. When it is in this last position, it does not interfere with the axial movement of the ring. The depth of the groove 166 is sufficient to accommodate the rod and retract completely relative to the tenons of the ring.
  • the free portion of the tenons 17 is engaged in a downstream axial groove formed between the cylindrical portion 163 and the surface of the cylindrical trunnion portion.
  • the pins 17 are in external radial support against the surface of this cylindrical portion 163. Since the assembly is capable of rotating at very high speeds of rotation, the radial support provided by the element 163 reduces the deformations and stresses due to centrifugal forces exerted on the tenons. This considerably increases the durability of the parts.
  • the rod When mounting the ring 18 on the trunnion 16, the rod is first fitted by sliding it behind the teeth 164, as shown in FIG. 5; it is elastic enough to be deformed. Then, by means of a suitable tool the ring is forced to retract into the groove 166. While holding the ring in this position, the ring is slid along the cylindrical portion 162, until the faces 172 of the ring abut against the surface 167. The engagement of the tenons between the teeth forming a dog clutch coupling. Then relaxes the ring which relaxes and is housed in the grooves 171, axially locking the ring 18.
  • annular notch 20 through which one can extract the ring by means of a suitable tool. It is also observed that it is easy to introduce a tool between the teeth 164 to retract the rod 19.
  • the invention has been described as a bearing ring of a rolling bearing.
  • the invention applies equally well, mutatis mutandis, to the mounting of the outer ring of a rolling bearing on the inner surface of a shaft or a housing structure.
  • the claw coupling can be made in the teeth and hold them on the ring and the second secured to the shaft.
  • the invention is not limited to mounting a ring on a turbine shaft, it is more general scope.

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Description

  • La présente invention porte sur un ensemble comprenant un arbre ou une portion d'arbre rotatif autour de son axe et d'un palier à roulement par lequel il est supporté. La présente invention s'applique en particulier au montage d'un palier pour arbre de turbine un moteur à turbine à gaz.
  • On a représente sur la figure 1, une vue partielle d'un moteur à turbine à gaz 1. Le rotor 2 de turbine Haute pression est immédiatement en aval de la chambre de combustion 3 et est mis en rotation par l'action des gaz qui en sont issus sur les aubes 4 montées sur le disque 5 du rotor 2. Le disque 5 de turbine est solidaire d'un tourillon 6, disposé en aval par rapport au sens de l'écoulement des gaz. En bout du tourillon 6 est monté un palier par lequel l'ensemble tournant est supporté. On n'a représenté ici que la bague 8 interne du palier. Le rotor 2 est solidaire à l'amont d'un tambour 7 relié au compresseur haute pression, non représenté, lui même supporté en rotation par un palier amont. Cet ensemble tournant formant le corps haute pression du moteur est supporté par l'intermédiaire de ces deux paliers soit par la structure fixe du moteur dans le cas d'un moteur à simple corps ou bien par un autre ensemble tournant dans le cas d'un moteur à double ou triple corps pour des étages basse pression ou de pression intermédiaire indépendants.
  • Dans les moteurs actuels, la bague interne est rendue solidaire de l'arbre ou tourillon par frettage. Par cette opération la bague est montée avec serrage sur l'arbre ou tourillon. L'accouplement peut ainsi aussi bien résister aux couples de rotation auxquels la bague est soumise pendant le fonctionnement du moteur qu'aux efforts axiaux. Un écrou 9 aval, vissé sur le tourillon et bloqué en rotation, verrouille la bague 8 en position et garantit la cohésion de l'ensemble en cas de survenue d'une perte de serrage de celle-ci sur le tourillon faisant suite, par exemple, à une usure des surfaces en contact ou bien à un échauffement excessif des composants. Pour couvrir tous les cas de panne et éviter un incident on est amené à sur-dimensionner l'écrou pour pouvoir imprimer un couple de serrage élevé sur l'ensemble. Un tel ensemble est divulgué dans le document FR 2 629 537.
  • Cette solution présente donc l'inconvénient d'une mise en charge mécanique importante des pièces. La taille de l'écrou notamment est en rapport avec la charge demandée. Il s'ensuit la nécessité de concevoir et de mettre en oeuvre un outillage lourd et complexe avec des moyens démultiplicateurs de forces.
  • Par ailleurs, il serait souhaitable pour certaines applications, en particulier dans le cas de nouveaux moteurs plus compacts, de réduire l'encombrement axial de l'arbre supportant la turbine, avec son palier. La position du palier étant elle-même parfaitement définie dans son environnement par rapport aux autres composants du moteur tels que la structure fixe, seule la partie comportant l'écrou serait susceptible d'être modifiée. Cependant compte tenu des contraintes rappelées ci-dessus, il n'est pas possible de réduire la taille de l'écrou sans réduire la résistance mécanique du montage.
  • Pour résoudre ce problème, il a été proposé dans un premier temps d'éliminer l'écrou et de souder directement la bague à l'arbre. Cette solution, cependant, ne conviendrait pas, au pour certains moteurs, en raison des différents matériaux constituant ces deux composants, des problèmes de corrosion qui en découleraient, et de la complexité des opérations lorsque ultérieurement il serait nécessaire d'intervenir sur la pièce.
  • Le brevet US-A-5, 863, 137 divulgue une autre forme d'accouplement selon l'état de la technique.
  • Le déposant s'est donc fixé comme premier objectif un mode d'assemblage d'une bague de palier à roulement, à l'arbre sur lequel il est monté permettant de surmonter ces inconvénients en offrant les mêmes caractéristiques mécaniques que celles proposées par un écrou.
  • Le déposant s'est également fixé comme autre objectif la réalisation d'un mode d'assemblage d'une bague de palier à roulement sur un arbre, qui soit à la fois aisé à monter et à démonter.
  • L'invention résout ce problème avec un ensemble selon la revendication 1 et comprenant un arbre rotatif et un palier à roulement, le palier comportant une bague solidaire de l'arbre et formant piste de roulement pour les organes de roulement du palier, caractérisé par le fait que la bague est immobilisée en rotation sur l'arbre par un accouplement constitué par une pluralité de dents sur l'arbre coopérant avec des tenons solidaires de la bague, les tenons étant logés entre lesdites dents, et en direction axiale par un jonc transversal en forme de portion d'anneau.
  • Le terme arbre désigne un arbre, une portion d'arbre, un tourillon ou plus généralement toute pièce sur laquelle un palier à roulement est monté. Alors que, dans le cas d'un montage de palier en bout de tourillon du côté de son extrémité libre, l'écrou, en raison des contraintes de montage, doit être placé en butée contre la bague sur son bord près de l'extrémité libre du tourillon, on peut ménager un accouplement à crabots sur le côté opposé par rapport à l'extrémité libre. La portion correspondante de tourillon peut ainsi être raccourcie. En outre, de manière avantageuse, on peut associer le moyen de retenue axiale à l'accouplement à crabots.
  • Avantageusement, l'accouplement est constitué d'une pluralité de dents, respectivement de tenons, espacés les uns des autres le long de la circonférence de l'arbre. Le nombre de dents et de tenons associés, ainsi que la dimension de ceux-ci, sont déterminés par les charges circonférentielles que l'accouplement est appelé à supporter pendant le fonctionnement du moteur. Pour éviter les balourds, on dispose avantageusement les éléments symétriquement autour de l'axe de l'arbre.
  • On comprend que la solution s'applique aussi bien au montage d'une bague interne de palier sur la surface extérieure de celui-ci, qu'au montage d'une bague externe de palier sur un arbre à l'intérieur de celui-ci lorsqu'il est creux.
  • Le palier à roulement peut être quelconque, à billes, rouleaux ou autre. De manière simplifiée, un palier comprend au moins deux bagues concentriques : une bague interne et une bague externe, entre lesquelles sont disposés une pluralité d'organes de roulement, rouleaux par exemple, maintenus écartés les uns des autres par une cage. Les bagues définissent chacune une piste de roulement pour les organes de roulement
  • Conformément à une autre caractéristique, le jonc est réalisé dans un matériau élastique. Il prend une première forme en extension radiale et où il constitue ladite retenue axiale entre l'arbre et la bague, et une forme rétractée radialement où il permet le déplacement axial de la bague par rapport à l'arbre. Selon le mode de réalisation préféré, en position de retenue, le jonc est disposé de manière à être en contact à la fois avec une dent et au moins un tenon.
  • Conformément à une caractéristique, l'arbre comprend une portion cylindrique formant butée radiale externe de l'extrémité libre du ou des tenons.
  • D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, accompagnée des dessins en annexe sur lesquels :
    • La figure 1 représente, en coupe axiale, une partie d'un moteur à turbine à gaz montrant un rotor de turbine et le tourillon avec une bague de palier montée conformément à l'art antérieur,
    • La figure 2 montre, en coupe axiale, un tourillon avec une bague interne de palier à roulement montée conformément à l'invention,
    • La figure 3 montre, en perspective, une vue partielle de la bague interne de la figure 2 détaillant les tenons,
    • La figure 4 montre, en perspective, le tourillon de la figure 2 avec les dents de l'accouplement à crabots,
    • La figure 5 montre la mise en place d'un jonc annulaire sur le tourillon de la figure 4,
    • La figure 6 montre, en perspective, la bague montée sur le tourillon de la figure 2,
    • La figure 7 montre un détail agrandi de la figure 6.
  • On voit, sur la figure 2, un tourillon 16 ou un arbre de turbine lié au rotor de turbine non représenté, conformément à l'invention. La figure 6 montre partiellement une représentation de la disposition de la figure 2 vue en perspective. Le tourillon comprend une bride avec des perçages 161 par lesquels on vient boulonner en 161 le rotor de turbine. On distingue une portion cylindrique 163, de axe de rotation que l'arbre, pourvue d'éléments tels que des léchettes formant avec des éléments complémentaires non un joint d'étanchéité à labyrinthe. Le tourillon comprend aussi une cylindrique droite 162 pour le montage d'une bague interne de palier à roulement 18. La bague 18 comprend une cylindrique interne 181 sur la portion cylindrique 162 du tourillon. La comprend piste 182 de roulement extérieure pour les organes de roulement, ici des rouleaux, non représentés de même que le reste du palier. A sur la figure, la bague est prolongée, selon l'axe commun de la bague et de l'arbre, par des tenons 17. Ces tenons 17 sont bien visibles sur la figure 3 qui est une vue partielle en perspective de la bague 18. Chaque tenon présente une rainure 171 interne, tournée vers l'axe de la bague et transversalement à celui-ci. Les tenons sont répartis ici sur toute la bague 17 avec un écartement déterminé correspondant à la largeur des dents décrites ci-après.
  • La bague 18 est en butée par la surface 172, orientée transversalement par rapport à l'axe, contre une butée axiale 167 ménagée sur la portion cylindrique 162. La surface 172 apparaît clairement sur la figure 4 montrant l'extrémité du tourillon selon une vue en perspective, de manière isolée. Des dents radiales 164 sont disposées à la périphérie de celui-ci en étant espacées les unes des autres avec un écartement correspondant à la largeur des tenons 17. Ainsi dans la position de la figure 2, les tenons 17 sont placés entre les dents 164, la bague étant en appui par la face 172 contre la face 167 formant butée. La bague 18 et le tourillon 16 forment ainsi un accouplement à crabots. Par cet accouplement la bague est fermement immobilisée en rotation, même si le serrage de la bague sur l'arbre vient à faiblir.
  • Les dents sont alignées transversalement à l'axe de l'arbre et ménagent une rainure transversale 166, ouverte radialement, du côté opposé à celui des faces 165. Quand la bague est en appui contre la face 167, la rainure 166 est en vis à vis des rainures 171 ménagées sur les tenons 17. Dans le montage de la figure 2, un jonc 19, transversal à l'axe, est logé dans la continuité des rainures 171, et forme ledit moyen de retenue axiale. En effet, en étant logé dans l'ensemble des rainures 171, sa hauteur est suffisante pour venir en prise contre l'ensemble des dents 164. Comme on le voit sur la figure 2, il empêche tout mouvement de retrait de la bague vers la droite sur la figure. On voit sur la figure 7 qui montre un détail agrandi de la figure 6, le jonc 19 en position de verrouillage. Ce jonc a ici une section rectangulaire. Il s'étend sur la circonférence. Il forme un anneau avec une portion manquante. Il est élastique, en métal de préférence, et peut ainsi être rétracté par des moyens appropriés pour venir se loger dans la rainure 166 du tourillon. Quand il est dans cette dernière position, il ne fait pas obstacle au mouvement axial de la bague. La profondeur de la rainure 166 est suffisante pour loger le jonc et l'escamoter complètement par rapport aux tenons de la bague.
  • Comme cela apparaît sur les figures 2, 6 et 7, la partie libre des tenons 17 est engagée dans une rainure axiale tournée vers l'aval, formée entre la portion cylindrique 163 et la surface de la portion cylindrique de tourillon. Les tenons 17 sont en appui radial externe contre la surface de cette portion cylindrique 163. Dans la mesure où l'ensemble est susceptible de tourner à de très grandes vitesses de rotation, l'appui radial fourni par l'élément 163 permet de réduire les déformations et les contraintes dues aux forces centrifuges exercées sur les tenons. On augmente ainsi considérablement la durabilité des pièces.
  • Au montage de la bague 18 sur le tourillon 16, on met en place d'abord le jonc en le glissant derrière les dents 164, comme on l'a représenté sur la figure 5 ; il est suffisamment élastique pour pouvoir être déformé. Ensuite, au moyen d'un outil approprié on force le jonc à se rétracter dans la gorge 166. Tout en maintenant le jonc dans cette position, on glisse la bague dans le long de la portion cylindrique 162, jusqu'à ce que les faces 172 de la bague viennent en butée contre la surface 167. L'engagement des tenons entre les dents formant un accouplement à crabots. On relâche alors le jonc qui se détend et vient se loger dans les gorges 171, verrouillant axialement la bague 18.
  • Pour le démontage, on prévoit une encoche annulaire 20 par laquelle on peut extraire la bague au moyen d'un outil approprié. On observe aussi que l'on peut aisément introduire un outil entre les dents 164 pour rétracter le jonc 19.
  • On a décrit le d'une bague de roulement d'un palier à roulement. L'invention s'applique aussi bien, mutatis mutandis, au montage de la bague externe d'un palier à roulement sur la surface interne d'un arbre ou d'une structure de carter. Par ailleurs, l'accouplement à crabots peut être réalisé en les dents et les tenons les sur la bague et les seconds solidaires de l'arbre. En particulier l'invention ne se limite pas au montage d'une bague sur un arbre de turbine, elle est de portée plus générale.

Claims (6)

  1. Ensemble comprenant un arbre rotatif et un palier à roulement formant support de l'arbre, le palier comportant une bague (18) solidaire de l'arbre (16) et formant piste de roulement pour le palier, la bague (18) étant immobilisée en rotation sur l'arbre (16) par un accouplement constitué par une pluralité de dents (164) sur l'arbre (16) coopérant avec des tenons (17) solidaires de la bague (18), les tenons (17) étant logés entre lesdites dents (164), et en direction axiale par un jonc (19) transversal, caractérisé par le fait que le jonc (19) transversal est en forme de portion d'anneau.
  2. Ensemble selon la revendication 1 dont le jonc est réalisé dans un matériau élastique et prend une première forme en extension radiale où il forme une retenue axiale et une forme rétractée radialement où il permet le déplacement axial de la bague (18) par rapport à l'arbre.
  3. Ensemble selon l'une des revendications 1 et 2 dont l'arbre (16) comprend une portion cylindrique (163) formant butée radiale externe de l'extrémité libre du ou des tenons (17).
  4. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3 dont la bague (18) est la bague interne du palier à roulement et est montée sur la surface extérieure de l'arbre.
  5. Ensemble selon l'une des revendications précédentes dont l'arbre (16) est un arbre de moteur à turbine à gaz.
  6. Ensemble selon la revendication précédente dont l'arbre est un tourillon de turbine dans un moteur à double corps au moins.
EP05105982A 2004-07-15 2005-06-30 Ensemble comprenant un arbre rotatif et un palier à roulement Active EP1617046B1 (fr)

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EP1617046A1 EP1617046A1 (fr) 2006-01-18
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