Brevet FR2006795A1 — publié le 19700102

i 2006795 La^présente invention a pour objet une garnitured1 étànchéité perfectionnée et plus particulièrement, une-garniture non lubrifiée, destinée à 1*équipement de la tige de piston des compresseurs auto-lubrifiés, fonctionnant sous une haute pression et une 5 haute température. L*un des objets de l'invention est la réalisation d'une garniture non-lubrifiée pour "tige de piston, de compresseur haute pression, comportant des moyens permettant de régler la charge des bagues d'étanchéité, de telle sorte que celle-ci soit mainte-10 nue dans des limites acceptables. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'une garniture auto-lubrifiée pour tige de piston de compresseur haute pression, comportant une pluralité de moyens de refroidissement et/ou de moyens de transmission calorifique, grâce auxquels les 15 températures de fonctionnement et. les vitesses d'usure correspondantes de la garniture d'étanchéité, sont réduites d'une manière appréciable. C'est encore un objet de l'invention de réaliser line garniture d'étanchéité auto-lubrifiée, pour tige de piston de compres-20 seur haute pression, pourvue de moyens permettant de la démonter facilement et, notamment, de remplacer les bagues d'étanchéité de la garniture, sans qu'il soit nécessaire d'extraire la tige de piston de celle-ci. En bref, la garniture perfectionnée non-lubrifiée pour tige 25 de piston haute pression de la présente invention, est particulièrement destinée à équiper Xes compresseurs fonctionnant sous une haute pression et une haute température, et comprend une pluralité de bagues d'appui et de bagues frottantes, coopérant avec une tige de piston, en vue d'obtenir un joint étanche entre cette tige et 30 ladite garniture. lesdites bagues et un revêtement de surface de ladite tige de piston sont réalisés avec un matériau auto-lubrifiant, ce qui dispense d'avoir recours aux hydrocarbures classiques, pour assurer la lubrification. En outre, des moyens du type des orifices de fuite réglés sont prévus, en vue de commander la 35 chute de pression à travers chacune desdites bagues et, par suite, 69 09649 2 2006795 de régler la charge qui leur est appliquée, de manière à permettre un maintien des niveaux de charge de la,garniture acceptable. Toutes les bagues de la garniture sont de construction segmentaire, afin de permettre un démontage facile de cette garniture, et le 5 remplacement de ces bagues, sans que cela nécessite un démontage-important du compresseur. les objets et avantages précités de la présente invention, ansi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, faite en référence aux dessins annexés, 10 dans lesquels î - la figure 1 est une vue latérale en élévation et en partie en coupe, montrant la disposition dans un compresseur haute pression d'une garniture de tige de piston, réalisée selon la présente invention ; 15 - la figure 2 montre une coupe longitudinale, pratiquée à travers une garniture de tige de piston, réalisée selon la présente invention ; - la figure 3 montre une coupe transversale pratiquée suivant la ligne 3-3 de la figure 2, et illustrant le mode de construction 20 des bagues d'appui de la garniture ; - la figure 4 montre une coupe transversale, pratiquée suivant la ligne 4-4 de la figure 2, et illustrant le mode de construction des bagues frottantes de la garniture ; - la figure 5 montre une coupe, transversale, pratiquée sui-25 vant la ligne 5-5 de la figure 2, et illustrant le mode de construction des bagues d'étanchéité de la garniture ; - la figure 6 représente une courbe de la chute de pression théorique en fonction de la po.sition des ;bagues d'étanchéité- et de garniture le long de la tige.de piston ; et - 30 - la figure 7 montre une forme légèrement modifiée.de la tige de piston, suivant laquelle un.moyen.de refroidissement est prévu à l'intérieur de cette tige. . La figure 1 représente un. compresseur,haute pression à double action, d'un type non lubrifié, bien connu.; ledit compresseur, in-35 dxqué de manière générale par la référence numérique 10, comporte BAD ORIGINAL 69 09649 3 2006795 20 des cylindres 12 et 14» ainsi qu'un piston 16, animé d'un mouvement alternatif classique, dans le cylindre 12. Une tige de piston 18 s'étend, ainsi qu'il est montré, à partir du piston 16, et est reliée à une bielle 20. Une garniture d'étancJaéité haute pres-5 sion non lubrifiée, construite selon la présente invention, pour équiper la tige de piston est indiquée de manière générale par la référence 22, et est située autour de cette tige de piston 18, à l'emplacement où celle-ci traverse le corps ou culasse 24 du cylindre, en vue de réaliser un joint d'étanchéité, et de permet-10 tre la compression de l'air par le piston 16 à l'intérieur du cylindre 12, de manière évidente. En se référant maintenant à la vue plus détaillée de la garniture 22 de l'invention représentée figure 2, on voit que celle-ci comprend une pluralité d'éléments 26, en forme de cuvettes, 15 ainsi qu'il est montré, maintenus côte-à-côte par des tirants 28 qui les traversent, et traversent également une bride 30 de la boite à garniture à laquelle ils sont fixés, ainsi qu'il est montré en 32. Des passages alignés 34 et 36, pour l'écoulement d'un milieu de refroidissement, sont prévus et s'étendent, ainsi qu'il est montré, à travers la bride 30 de la boite à garniture, et à travers les éléments 26 en forme de cuvette, afin de permettre l'arrivée de ce milieu de refroidissement, tel que l'eau, à la garniture de l'invention. Le matériau dont sont constitués la bride 30 25 de la garniture et les éléments en forme de cuvette respectifs 26r est de préférence .un matériau offrant une bonne conductibilité thermique et une résistance élevée à la corrosion, tel que l'acier inoxydable, l'aluminium ou le bronze. Une pluralité de bagues d'étanchéité, constituées chacune 30 par une bague d'étanchéité proprement dite 38, et par une bague d'appui 40, disposées côte-à-eôte, sont positionnées, ainsi qu'il est montré, de manière à soutenir longitudinalement les éléments successifs 26 en forme de cuvette. Les surfaces respectives se présentant radialement vers l'intérieur de chacune desdites bagues 35 d'étanchéité et d'appui, sont en contact constant avec un 09649 4 2006795 revêtement mince auto-lubrifiant de molybdène 42, situé sur la surface de la tige de piston 18. Ce revêtement mince de molybdène a principalement pour objet de réduire sensiblement la possibilité de grippage de la tige de piston susceptible de résulter du fonc-5 tionnement du compresseur sous une haute pression et une haute température, ainsi que de procurer une amélioration notable de l'évacuation de la chaleur engendrée par le frottement de contact entre les bagues et cette tige de piston. Chacune des bagues drappui 40 de la garniture peut être cons-10 tituée par des segments se raccordant radialement, ainsi que le montre la figure 3» et chacune des bagues d'étanchéité 38 de cette garniture peut être constituée par des segments se raccordant tangentiellement, ainsi que le montre la figure 5» Chacune des bagues d'étanchéité et d'appui est maintenue 15 pressée autour de la tige de piston 18, par un ressort annulaire 44» et chacune desdites bagues d'appui est centrée en outre sur cette tige de piston 18, au moyen d'une pluralité de ressorts de centrage 46» disposés entre la bague et la surface espacée opposée, de l'élément en forme de cuvette correspondant.On comprendra 20 que la segmentation des bagues d'étanchéité et d'appui respectives permet un remplacement commode de celles-ci, après démontage de l'élément en forme de cuvette 26, sans nécessiter le démontage de la tige de piston 18 du compresseur 10. Les bagues d'appui respectives 40 sont dimensionnées de telle sorte que le contact entre 25 les faces respectives, se raccordant radialement de celles-ci empêche qu'elles viennent en contact avea le revêtement 42 de la tige et qu'un léger intervalle 41 sait ménagé entre lesdites bagues et ledit revêtement 42 de la tige de piston, ainsi que le montrent les figures 2 et 3. De préférence, mais non nécessairementr lln-30 tervalle 41 sera compris entre 0,25 et 0,45 mm. Les bagues d'étanchéité 38 et d'appui 40 sont réalisées, de préférence, avec un matériau auto-lubrifiant ayant une bonne résistance- à l'usure, tel que, par exemple, du bronze garni de téflon, les bagues d'appui respectives 40 étant disposées, ainsi qu'il est montré, sur 35 les côtés aval des bagues d'étanchéité correspondantes 38, afin 69 09649 5 2006795 d'empêcher que celles-ci soient refoulées pendant le fonctionnement sous une haute pression et une haute température, du compresseur 10. En sus des bagues d'étanchéité 38 et des bagues d'appui 40, 5 la garniture 22 de la tige de piston haute pression de l'invention, comporte, ainsi qu'on peut le voir, une pluralité de bagues frottantes 50, à raison d'une telle bague pour chaque paire de bagues d'étanchéité et d'appui. les bagues frottantes 50 sont soutenues longitudinalement, ainsi qu'il est montré, par une surface adja-10 cente d'un élément en forme de cuvette 26, et chacune d'elle est constituée par des segments, comme le montre clairement la figure 4. Un ressort annulaire est utilisé pour maintenir chacune des bagues frottantes pressée autour de la tige de piston 18. Chacune des bagues frottantes 50 est réalisée, de préférence, 15 avec un matériau dispensé de lubrification, dont la résistance à l'usure soit acceptable, tel que, par exemple, le bisulfure de molybdène (Mo Sg) aggloméré avec un matériau lui permettant de conserver sa forme annulaire ; le rôle principal des bagues frottantes 50 étant d'appliquer un lubrifiant sec, sous forme de 20 Mo Sg, en l'occurence, à la tige de piston 18, et de réduire ainsi l'usure par frottement des bagues d'étanchéité 38 et des bagues d'appui 40, qui est provoquée par le contact glissant de ces dernières avec ladite tige de piston. Une pluralité d'orifices de fuite réglés et alignés 54 et 56, 25 sont prévus, aiinai qu'il est montré, dans les éléments enjfcrme de cuvette 26 successifs, les ensembles d'orifices ainsi alignés étant alignés à leur tour avec des orifices de décharge 58, ména-. gés, ainsi qu'il est montré, dans la bride 30 de la garniture. De plus, des espaces de fuite réglés 60 et 61, sont ménagés du côté 30 haute pression de la garniture 22, par l'espacement entre le dernier élément 26 en forme de cuvette, et le revêtement 42 de la tige de piston, et'par le moyen de l1entretoise 62, qui écarte le dernier élément 26 en forme de cuvette de la paroi voisine 64 de la culasse 24 du cylindre. De ce qui précède, il ressort nette-35 ment que les passages de fuite réglés, constitués par les espaces 69 09649 6 2006795 60 et 61, les orifices alignés 54 et 56, et les orifices 58 de décharge de pression, permettent une fuite contrôlée du fluide sous une haute pression, depuis l'intérieur du cylindre 12, jusqu' à l'extérieur de la garniture 22. 5 la disposition des orifices de fuite réglés 54 et 56, et le passage de fuite contrôlée résultant, tel qu'il a été décrit ci-dessus, permettent de contrôler la chute de pression à la traversée de chacune des bagues d'étanchéité, d'appui et frottantes respectives. 10 Plus spécifiquement, on comprendra qu'en choisissant convena blement la dimension de chacun des orifices 54 et le nombre de bagues d'étanchéité utilisées dans la garniture de l'invention, la whute de pression à la traversée de chacune des bagues d'étanchéité pourra être maintenue à un niveau assurant un faible taux 15 d'usure de ees bagues. Il en est ainsi du fait que, ainsi qu'il est connu de l'homme de l'art, le taux d'usure de chaque bague est directement proportionnel à la chute de pression à la traversée de ladite bague, étant donné que cette chute de pression détermine la pression de contact entre la tige de piston et cette bague, et la 20 force de frottement exercée par cette bague contre la tige du piston. Par conséquent, un choix convenable de la dimension des orifices de fuite réglés 54 respectifs, permettra d'obtenir une chute de pression acceptable à la traversée des bagues d'étanchéité respectives, et-d'empêcher que se produisent des chutes de pression 25 exagérément élevées, qui pourraient avoir pour conséquence le refoulement de ces bagues d'étanchéité et/ou une élévation exagérée des températures de ces bagues, entraînant une vitesse d'usure exagérément élevée de celles-ci. la disposition des orifices de fuite réglés 54 permettra.également de prévoir avèc précision la 30 vitesse d'usure des bagues d'étanchéité, dentelle sorte qu'elle pourra être rapportée au débit du compresseur, ce qui permettra d'établir commodément des programmes.rationnels pour le remplacement de ces bagues d'étanchéité. En ce qui concerne les dimensions respectives des orifices 56, 35 on remarquera que, dans chaque cas, ceux-ci sont .plus grands que BAD ORIGINAL" 69 09649 7 2006795 les orifices 54. Plus spécialement, chacun des orifices respectifs 56 est sufisamment grand, pour empêcher pratiquement tout chute de pression à la traversée de la bague frottante 50 disposée immédiatement en amont de cet orifice, ce qui assure pratique-5 ment que les seules forces dirigées vers l'intérieur, ou forces de contact entre la tige de piston et la bague, appliquées par l'intermédiaire des bagues frottantes respectives 50, sont celles engendrées par les ressorts annulaires respectifs 52, qui peuvent facilement être choisis de telle sorte que les taux d'usure de 10 ces bagues frottantes soient acceptables, le fait que toute chute de pression à la traversée des bagues frottantes respectives 56 est pratiquement supprimée, ne pose pas de problème puisque ces bagues n'ont pas pour fonction d'assurer l'étanchéité, mais sont destinées à appliquer le lubrifiant sec Mo à la tige de piston 15 18, dans les buts décrits en détail plus haut. En fonctionnement, lorsque le piston 16 est déplacé vers la garniture 22, ainsi que le montre la figure 2, afin de comprimer l'air à l'intérieur du cylindre 12, les bagues d'étanchéité, d'appui et frottantes respectives fonctionnent de la manière décrite 20 plus haut, afin d'assurer pratiquement l'étanchéité à la traversée de la tige de piston, et de maintenir une couche auto-lubrifiante sur celle-ci. En outre, il est permis à une petite quantité réglée de l'air comprimé de fuir, ainsi qu'il est montré, par des flèches dans la figure 2, depuis le cylindre 12, et par l'intermédiaire 25 des espaces 60 et 61, et des orifices de fuite contrôlée 54 et 56, jusqu'aux orifices de décharge de pression 58 se présentant dans la bride 30 de la garniture* et à travers ces orifices. Cette fuite contrôlée de l'air comprimé maintiendra les chutes de pression à la traversée des bagues d'étanchéité respectives 30 pratiquement au même niveau, et, ainsi qu'il a été exposé en. détail plus haut, à un niveau qui est déterminé de manière â ce que l'usure des bagues soit minimale, et à ce que la durée de vie utile de celles-ci soit maximale. De plus, la fuite contrôlée de l'air comprimé à travers les orifices agrandis 56, empêchera pratiquement 35 que des chutes de pression se manifestent à la traversée des BAD ORIGINAL1 >k 69 09649 8 2006795 "bagues frottantes respectives 50, ce qui assurera une longue vie utile à ces dernières, ainsi qu'il a déjà été dit- plus haut. L'égalité pratique des chutes de pression à la traversée des paires respectives de bagues d'étanchéité et d'appui 38 et 40, et 5 l'absence pratique de toute chute de pression à la traversée des bagues frottantes respectives 50, sont montrées par la courbe 70 de la figure 6, représentant les chutes de pression théoriques telles qurelles se manifestent à la traversée de l'ensemble des bagues, dans une garniture pour tige de piston construite selon 10 l'invention, et utilisant trois groupes de bagues d'étanchéité, d'appui et frottantes respectivement. La figure 7 représente un moyen de refroidissement supplémentaire qui peut être utilisé en vue de maintenir les températures de la garniture à des niveaux acceptables, et présente une utilité 15 particulière dans les applications à des compresseurs fonctionnant sous de très hautes pression et température, non lubrifiés. Ainsi que le montre la figure, line cavité 72 pratiquée dans la tige de piston 18, est pratiquement remplie par un matériau 74 présentant d'excellentes caractéristiques de conductibilité thermique aux 20 températures élevées, tel que le potassium, par exemple. Ainsi* les caractéristiques de conductibilité thermique de la tige de piston 18 sont considérablement améliorées, de telle sorte qu'une quantité de chaleur notablement plus importante peut être transférée du piston et du cylindre 12 à haute températures à l'extérieur de la bride 30 de la garniture 22, dont la durée de vie utile est ainsi prolongée. On comprendra que l'invention n'est pas limitée au mode de construction et à la disposition des parties constitutives montrés, auxquels des modification? peuvent être apportées sans que l'on 30 sorte pour autant de l'esprit et du cadre de l'invention. 'BAD ORIGINAL 69 09649 9 2006795 REVENDICATIONS 1°) Garniture d'étanchéité non lubrifiée de tige de piston, destinée à être utilisée dans un compresseur comportant un piston et un espace de compression, caractérisée en ce qu'elle comprend 5 une pluralité de bagues d'étanchéité espacées, réalisées dans un matériau auto-lubrifiant, et coopérant avec ladite tige de piston pour rendre étanche le passage de celle-ci ; et des moyens pour mettre ledit espace de compression en communication d'écoulement avec ladite garniture, et pour permettre la fuite contrôlée de 10 fluide sous pression dudit espace de compression au-delà de chacune desdites bagues d'étanchéité, et le réglage de la chute de pression à la traversée de chacune de ces bagues d'étanchéité et, par suite, le contrôle de la pression de contact et de la force de frottement exercées par chaque bague d'étanchéité contre ladite 15 tige de piston. 2°) Garniture non lubrifiée de tige de piston selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un revêtement de matériau auto-lubrifiant déposé sur ladite tige de piston, et empêcher le grippage de ladite tige de piston. 20 3°)Garniture non lubrifiée de tige de piston selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de bagues frottantes espacées, réalisées dans un matériau auto-lubrifiant, et coopérant avec ladite tige de piston en vue de lui appliquer continuellement un matériau auto-lubrifiant. 25 4°) Garniture non lubrifiée de tige de piston selon la reven dication 3» caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens permettant la fuite contrôlée de fluide sous pression dudit espace de compression au-delà desdites bagues frottantes, afin d'empêcher pratiquément qu'une chute de pression se produise à la traversée 30 de ces dernières. 5°) Garniture non lubrifiée de tige de piston selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un revêtement de ■atériau auto-lubrifiant déposé sur ladite tige de piston, et collaborant avec lesdites bagues d'étanchéité pour évacuer la chaleur 35 engendrée à la surface de contact entre les bagues d'étanchéité et 69 09649 10 2066795 la tige de piston, et empêcher le grippage de ladite tige de piston. 6°) Garniture non lubrifiée de tige de piston selon la revendication 1, dans laquelle chaôune desdit.es- bagues d'étanchéité est 5 constituée par une bague d'étanchéité proprement dite et une bague d'appui disposées côte-à-côte, caractérisée en ce que ladite bague d'appui est disposée en aval de ladite bague d'étanchéité, dans la direction d'écoulement dudit fluide sous pression, en vue d'empêcher le refoulement de ladite bague d'étanchéité sous l'action 10 de ladite tige de piston. 7°) Garniture non lubrifiée de tige de piston selon la revendication 5» caractérisée en ce que chacune desdites bagues d'étanchéité est constituée par une bague d'étanchéité proprement dite et une bague d'appui disposées côte-à-côte, ladite bague d'appui 15 étant disposée en aval de ladite bague d'étanchéité, dans la direction d'écoulement dudit fluide sous pression, en vue d'empêcher le refoulement de ladite bague d'étanchéité sous l'action de ladite tige de piston. 8°) Garniture non lubrifiée de tige de piston selon la reven-20 dication 5» caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens permettant la circulation d'un fluide de refroidissement à travers ladite garniture, en vue de réduire la température de fonctionnement de celle-ci. 9°) Garniture non lubrifiée de tige de piston selon la reven-25 dication 5> caractérisée en ce qu'elle comprend une cavité pratiquée dans ladite tige de piston, et dans laquelle est introduit un matériau présentant de bonnes caractéristiques de transmission calorifique, qui agit pour évacuer la chaleur engendrée dans ladite garniture, et réduire sa température de fonctionnement. 30 10&) Garniture non lubrifiée selon la revendication 9» carac térisée en ce qu'elle comprend des moyens présentés par ladite garniture, en vue de permettre la circulation d'un fluide de refroidissement à travers celle-ci, en vue de réduire sa température de fonctionnement. 35 11°) Garniture de piston non lubrifiée, selon la revendica- 69 09649 11 2006795 tioii lj dans laquelle lesdits moyens de fuite contrôlée sont di-mensionnés de telle sorte que les chutes de pression à la traversée de chacune des bagues- d'étanchéité soient' pratiquement égales. 12°) Garniture non lubrifiée de tige de piston selon la re-5 vendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens de fuite contrôlée sont dimensionnés de telle sorte que les chutes de pression à la traversée de chacune desdites bagues d'étanchéité soient pratiquement égales. BAD ORIGINAL1