Brevet FR2005490A1 — publié le 19691212

La présénte invention se rapporte à un joint perfectionné destiné à empêcher les pertes par fuites internes dans les pompes à roue mobile fermées. Une pompe centrifuge peut être définie d'une manière générale comme étant constituée par une roue portant des aubes ou roue mobile et par un carter fixe. La roue mobile imprime une énergie cinétique au fluide qui est pompé tandis que la spirale du carter transforme lténergie cinétique en pression et guide le fluide à ltécart de la roue mobile. Il existe un certain nombre d'autres éléments essentiels dans ce type de pompe. Ceux-ci comprennent un arbre sur lequel est fixée la roue mobile pour l'entratner, un presse-étoupe ou joint pour l'arbre qui évite toute fuite le long de l'arbre dans la région où il traverse le carter.De plus, la plupart sinon la totalité de ces pompes sont caractérisées par ce qu'on appelle couramment des surfaces d'usuret, c'ki-dire des surfaces où les éléments rotatifs et les éléments fixes sont usinés pour etre très rapprochés afin d'éviter les fuites de fluide du cEté haute pression au cEté basse pression de la roue mobile. Une pompe centrifuge qui constitue un exemple du type -décrit ici est fabriquée par Union Carbide Corporation dans des alliages Hastelloy *, ("Hastelloy" nom commercial déposé de Union Carbide Corporation). Les pertes par fuites aux surfaces d'usure nuisent au rendement de la pompe. De ce fait, il est important de réduire ces pertes à un minimum si iron veut obtenir un rendement maximal. On a utilisé une grande diversité de dispositifs et de variantes dans ce but, mais les perfectionnements obtenus n'ont pas assuré un rendement maximal et nront pas été d'un modèle simple. Si le jeu entre le carter et le moyeu de la roue mobile est minimal et s1il se produit un frottement, une abrasion , des rayures et/ou une corrosion due à la présence d1un fluide corrosif, le jeu augmente rapidement, ce qui annule toute amélioration temporaire de rendement.Dans des pompes du type à roue mobile fermées, on a corrigé partiellement les pertes par fuites en limitant le trajet de fuite au lieu d'agir sur la surface du jeu, Des dispositifs qui ont été utilisés pour agir sur les fuites internes sont constitués par des dispositifs en forme de labyrinthes, des gorges circulaires ou en spirale, etc. Aucun de ces dispositifs n'assure ni une interaction ni une relation de frottement constante entre les éléments se déplaçant les uns par rapport aux autres, mine lorsque les éléments rapportés métalliques dans lesquels sont pla cés ces dispositifs sont appelés des bagues d'usure. En dépit des nombreuses tentatives faites pour résoudre le problème des fuites dans les pompes rotatives, aucun procédé universel satisfaisant n'a été mis au point pour assurer l'étanchéité des surfaces en mouvement ou pour compenser l'usure. En conséquence, la présente invention a pour but de réduire les pertes par fuites de ce type à un minimum et d'augmenter le rendement de fonctionnement d'une pompe centrifuge. D'une manière générale, la présente invention consiste à mettre en position d'une façon réglée une matière formée par du graphite expansé, souple, résistant à 11 usure, élastique et conducteur de la chaleur dans ltespace normal du jeu qui existe entre certaines surfaces en mouvement et d'autres surfaces qui ne sont pas en mouvement dans une pompe centrifuge, de sorte qu'il n'existe pratiquement aucun jeu permettant une fuite interne pendant le fonctionnement de la pompe. Du fait des caractéristiques inhérentes du graphite expansé, il s'oppose d'une manière efficace à l'usure et à la corrosion et le joint reste intact pendant des périodes de longue durée.Si le graphite est disposé sur le moyeu tournant, la force centrifuge produite s'exerce sur lui pendant la rotation et l'appuie contre le carter en formant un joint excellent. t1 élasticité et la caractéristique de lubrification naturelle du graphite expansé ou floconneux lui permettent d'entre suffisamment souple pendant qutil est ainsi comprimé pour résister à l'abrasion. On obtient des améliorations également importantes de rendement si on place le graphite sur le carter de telle sorte qu'il s'étend en travers du jeu jusqu'au moyew~de la roue mobile. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le- graphite expansé est monté sur le moyeu. tes graphites sont earactérises dans leur structure interne par des plans de couches formés par des réseaux hexagonaux d'atomes de carbone. Ces plans de couches sont sensiblement plans et sont parallèles d'une manière générale les uns aux autres et sont équi- distants les uns des autres.Ils sont liés ensemble par de faibles forces de van der Rails qui, comme on l'a découvert, peuvent outre attaquées à l'aide de certaines matières pour affaiblir encore la liaison qui existe entre les couches. te résultat d'une telle attaque est le fait que ltespacement entre les couches de carbone superposées peut être accru de façon à produire une expansion marquée suivant une direction perpendiculaire aux couches, ctest-à-dire dans la direction "C", de façon à former des particules de graphite expansé. tes particules peuvent être traitées ensuite pour former un produit pouvant entre utilisé. Dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 1.137.373 et nO 1.191.383, les particules de graphite naturel sont expansées en commençant par soumettre les particules de graphite pendant une période de durée appropriée à un environnement oxydant à une température appropriée. Après l'achèvement du traitement d'oxydation, les particules sont lavées avec de l'eau et ensuite chauffées à une température comprise entre 3500 et 60O0C pour faire dilater les particules dans la direction t!C?t. tes particules sont ainsi dilatées jusqu'à vingt fois leur dimension initiale dans la direction C et sont ensuite combinées avec une résine phénolique et moulées pour leur donner les formes souhaitées. On a découvert récemment que des particules qui se sont dilatées au moins quatre-vingt fois et de préférence deux cents fois dans la direction "C" peuvent être comprimées ensemble sans aucun liant pour former une feuille cohérente, une bande de papier , de la mousse, etc. On peut faire en sorte que le produit formé présente un poids spécifique compris entre 80 grammes par dm3 ou moins à 2200 grammes par dm3 en faisant varier la pression pendant le processus de formage. Cette matière spéciale présente une excellente souplesse, une bonne résistance et un degré appréciable d'anisotropie. Une description complète de cette matière et de son procédé de fabrication sont donnés dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0- 273.245 du 45 Avril 1963, déposée par Dé plus, cette matière est vendue dans le commerce sous le nom commercial de "SRAFOIL", nom commercial déposé de Union Carbide Corporation. Pour la présente invention, par suite, le terme graphite expansé est destiné à englober le graphite qui a été mis en forme en faisant dilater un graphite servant de matière de départ qui peut & re du graphite naturel , du graphite pyrolytique, des pail lettesbde graphite de fourneaux de fonderie, ou tout autre type, et ensuite en recomprimant la matière expansée. te graphite expansé préfère" ne contient aucun liant, comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 273.245 précitée, mais il peut contenir un liant Si la quantité de liant qu'il contient. est inférieure à 10 Xo en poids du graphite produit. Des quantités plus importantes de liant donnent au graphite une rigidité qui diminue sa capacité à résister à l'abrasion et qui réduit sa souplesse.Il va de soi qu'on peut ajouter d'autres matières au graphite expansé soit avant soit après l'avoir moulé et mis aux dimensions voulues, à condition de ne pas nuire d'une manière importante à ses caractéristiques importantes d'élasticité et d'autolubrification. Des poudres ou des filaments métalliques, des matières de renforcement fibreuses tellesque des fibres de verre, de l'argile, etc. peuvent etre incorporées au graphite pour renforcer le produit comprimé ou pour améliorer sa conductivité thermique. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés qui donnent à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation conformes à l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une vue en plan, en coupe, d'une pompe centrifuge type, suivant les principes de l'invention ; la figure 2 est une vue en plan, en coupe, d'une partie de la pompe représentée sur la figure t, et. comportant un premier mode de réalisation de la structure de joint selon l'invention la figure 3 est une vue en plan, en coupe, d'une partie de la pompe représentée sur la figure 1 comportant un autre mode de réalisation de structure de joint selon l'invention ; et la figure 4 est un graphique servant à comparer le fonc tionnement d'une pompe avec et sans les joints selon l'invention. En se reportant à la figure 1, elle représente une pompe centrifuge -indiquée d'une manière générale par la référence 10. La pompe comporte un arbre 12 qui est fixé au moyeu ou a la partie centrale 14 d'une roue mobile 16 à l'aide d'un moyen de montage tel qu'une section filetée 18. La roue mobile 16 comporte des aubes telles que celles qu'on voit en 20 ettout l'ensemble est enfermé à l'intérieur d'un carter 22. te carter 22 est pourvu d'une ouverture d'entrée 24 et d'un ajutage de refoulement 26 qui sont en contact direct avec des canaux 23 et 25, respectivement. Des surfaces d'usure, c'est-à-dire les régions diamétralement opposées où le carter 22 est usiné de façon à être très près du moyeu 14 sont représentées en 28, 30. Au voisinage immédiat de chacune de ces surfaces d'usure, du graphite expansé 32 est disposé de manière à obturer pratiquement tout l'espace qui se trouve entre les éléments. En fonctionnement, un fluide pénètre par l'ouverture 24 et le canal 23 pour venir en contact avec les aubes de la roue mobile qui sont mises en rotation par l'intermédiaire de l'arbre 12 à l'aide d'un motéur (non représenté). Les aubes aspirent le fluide à travers l'ajutage d'aspiration 24 et le canal 23 et le refoulent par le canal 25 et l'ajutage 26. te fluide est empoché par les joints 32 en graphite expansé de recirculer en regard des surfaces d'usure, de sorte qu'à peu près la totalité du fluide qui arrive est refoulée à l'extérieur par l'ajutage de refoulement 26. La figure 2 représente très clairement un moyen permettant de fixer le graphite expansé sur le moyeu 14. Comme on le voit, des gorges circulaires 34, 36 sont taillées sur le moyeu à l'endroit des surfaces d'usure 28, 30 et le graphite expansé y est comprimé. Dans ce mode de réalisation, le graphite tourne avec la roue mobile et frotte contre le carter 22. Dans cette position, le graphite doit présenter un poids- spécifique de 960 grammes par dm ou plus pour présenter une durée de service maximale et assurer l'étanchéité pendant qu'il tourne.De plus, les gorges sont de préférence légèrement arrondies sur leurs bords pour- réduire toute possibilité d'abimer le graphite Sur la figure 3, les joints 32 en graphite sont disposés sur le carter fixe 22 dans des gorges 38, 40 et viennent en contact avec le moyeu 14 à l'endroit des surfaces d'usure 28, 30 lorsque la roue mobile tourne. te graphite peut présenter un poids spécifique inférieur à 800 grammes par dm3 s'il est disposé sur le carter du fait qu'il doit subir une compression comme garniture pendant la rotation de la roue mobile au lieu de subir un allongement comme il le ferait s'il était fixé sur la roue mobile elle-mme. Pour déterminer l'efficacité de la présente invention, une série d'essais ont été effectués avec une pompe centrifuge semblable à celle représentée sur la figure 1. La roue mobile mesurait 216 mm de diamètre et était enfermée complètement. L'ouverture d'aspiration présentait un diamètre de 76 mm et l'orifice de refoulement un diamètre de 38 mm. te jeu à l'endroit des surfaces d'usure du moyeu était de 0,6 mm sansrinsertion de graphite expansé. Au cours du premier essai, on a utilisé des joints de graphite expansé et on a fait passer de l'eau à travers la pompe à diverses vitesses, en enregistrant pour chaque vitesse la pression de refoulement, la pression d'aspiration et la puissance d'entrée. te Tableau I indique les données qui ont été enregistrées. TABLEAU I Débit de fluide Pression mano- Pression d'aspi- Puissance 1/min. métrique de re- ration foulement.bars foulementbars mm de hg kilowatts 0 - 10,01 - 12,5 7,5 75,7 9,94 - 15,2 8,125 151,4 9,91 - 20,3 9 227,1 9,70 - 31,8 9,087 302,8 9,38 - 47,0 10,75 378,5 9,03 - 64,8 11,75 454,2 8,61 - 87,6 12,52 529,9 8,05 ni 113,0 13,5 605,6 7,39 -143,5 14,5 681,4 6 > 68 -172,7 15,25- 757,0 5,60 -210,8 16,05 te même essai a été effectué avec la meme pompe mais avec des bagues stratifiées en graphite expansé d'un diamètre extérieur de 88,9 mm et d'une épaisseur de 6,4 mm sans aucun liant et présentant un poids spécifique d'environ 1040 grammes par dm tes bagues étaient fendues et étaient disposées dans des gorges de 6,4 mm sur 6,4 mm sur le moyeu de la roue mobile, comme représenté sur la figure 2 et elles obturaient complètement le jeu entre le moyeu et le carter. On a à nouveau enregistré les données correspondant aux diverses vitesses ; ces données sont indiquées sur le tableau II. TABLEAU II Débit de fluide Pression manomé- Pression d'aspi- Puissance en litres/min trique de refou- ration mm de Hg d'entrée en lement kilowatts 0 10,36 -15,2 7,00 75,7 10,22 -15,2 7,38 151,4 10,08 -20,3 7,75 227,1 9,66 -30,5 -8,00 302,8 9,45 -45,7 10,00 378,5 9,1 -66,0 10,75 454,2 8,82 -86,4 12,00 529,9 8,26 -111,8 13,00 605,6 7,73 -147,3 14,00 681,4 6,96 -177,8 14,62 757,0 5,90 -218,4 15,88 Une comparaison entre les deux tableaux indique clairement que l'utilisation du graphite expansé de la manière décrite ici donne à la pompe un rendement de fonctionnement supérieur. L'augmentation de rendement est due à une combinaison de la moindre puissance d'entrée nécessaire et de la charge plus élevée (pression de refoulement) pour des taux de débit identiques du fluide. La figure 4 représente schématiquement l'amélioration marquée qui est indiquée dans les tableaux précédents par un tracé de la pression de refoulement (en ordonnées) en fonction du taux de débit du fluide (en abscisses) pour la pompe utilisant le graphite expansé et pour la meme pompe ne l'utilisant pas. La onné courbe A est un tracé des données|2ansnéte tableau I (graphite expansé non utilisé) et la courbe B un tracé des données donnes dans le tableau IL (graphite expansé utilisé). Comme on peut l'observer, la courbe B représente un accroissement de la pression de refoulement à peu près sur toute la gamme de débit du fluide. L'accroissement de la charge de refoulement pour un débit nul de fluide mesuré à l'extérieur de la pompe indique clairement la perte par fuites effective qui se trouve considérablement réduite à l'intérieur de la pompe lorsqu'on utilise des joints en graphite. Du fait que la puissance de sortie d'une pompe est en rapport direct avec le produit de la pression de refoulement et du débit de fluide de la pompe, tout accroissement de la charge de refoulement seule se traduit par un accroissement de la puissance de sortie. De cette manière, l'utilisation de joints en graphite expansé assure un accroissement de la puissance de sortie ainsi que de la pression de refoulement. Comme on le voit sur le tableau II, la puissance d'entrée est diminuée en réalité pour des taux donnés de débit lorsqu'on utilise des joints en graphite expansé. -L'accroissement de la puissance de sortie en liaison avec une puissance d'entrée plus faible indique un accroissement impur tant de rendement auquel on peut s'attendre lorsqu'or utilise des joints en graphite expansé. Un accroissement pouvant s'élever jusqu'à 10 % du rendement a été obtenu au cours de I'essai précité, par exemple. Une diversité de modifications peuvent Btre apportées à l'invention pour faciliter l'incorporation du graphite dans une pompe centrifuge. Par exemple, lorsque le graphite expansé est introduit dans le carter, ou sur le moyeu, il- peut entre pourvu de bagues de rev & ement en une matière moins imperméable qui peut entre utilisée comme bague de retenue pour le graphite. De plus, le graphite expansé peut etre introduit sur le moyeu de la roue mobile ou sur le carter en un seul morceau d'une longueur axiale continue ou bien il peut & re divisé en segments de longueur plus courte, des entretoises étant disposées entre ces segments. D'autres variantes, telles que par exemple des bagues de revete- ment chargées par un ressort, si on en utilise, apparattront aux spécialistes. On se rend compte que la présente invention satisfait une demande très nécessaire pour un moyen d'étanchéité qui réduit d'une manière efficace le jeu entre les éléments en rotation d'une pompe. te succès de la présente invention est particulièrement important du fait des vitesses très élevées atteintes par la roue mobile en rotation pendant le fonctionnement de la pompe. il ya de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qutà titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICAtIONS 1. Pompe centrifuge comprenant au moins une roue mobile enfermée à l'intérieur d'un carter, cette roue-mobile comportant un segment de moyeu, caractérisée en ce qu'un joint de graphite expansé est disposé entre le segment du moyeu de la roue mobile et le carter de sorte que pendant la rotation de la roue mobile, le jeu entre le segment de moyeu et le carter est à peu près complètement obturé par le graphite expansé. 2. Pompe suivant lâ revendication 1, caractérisée en ce que le graphite expansé est fixe au moyes de la roue mobile et tourne avec lui. 3. Pompe suivant la revendication 2, caractériséeen ce que le moyeu est pourvu d1au moins une gorge, le graphite étant disposé dans celle-ci. 4. Pompe suivant la revendication 7, caractériséeen-ce que le graphite expansé présente un poids spécifique supérieur à 960 grammes par dm) et contient moins de 80 % en poids d'un liant. 5. Pompe suivant la revendication-l, caractérisée en ce que le graphite expansé est fixé au carter et est disposé de telle sorte que pendant la rotation de la roue mobile, le moye4 est en contact direct avec le graphite. 6. Pompe suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le carter est pourvu d'au moins une gorge disposée à la surface d'usure de la pompe, le graphite étant pressé dans cette gorge. 7. Pompe suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le graphite présente unpaiEs spécifique inférieur à 800 grammes par dm3 et contient moins de 10 % en poids d'un liant.