Brevet FR2008693A1 — publié le 19700123

-i- 2008693 La présente invention se rapporte en général aux dispositifs d'étanchéité pour liquides, et concerne plus particulièrement les joints du type à face de fuite commandée, pour organes mobiles tels que les arbres rotatifs. 5 Le fonctionnement des joints d'arbres à fuite commandée de la technique antérieure, tels que ceux représentés dans le Brevet D,E. Phillips N° 3 179 422, en date du 10 Avril 1962, dépend de l'équilibre des forces de pression agissant dans le sens aïéial sur une bague d'étanchéité non rotative montée adjacente à 10 un collier rotatif fixé sur l'arbre d'une pompe. Les forces, agissant sur la bague d'étanchéité, crées par les pressions du liquide de pompe agissant sur les faces de cette bague sont telles que la bague, axialement mobile pour rapprochement et éloignement par rapport au collier rotatif de l'arbre, se déplace axialement 15 pour faire varier la distance la séparant du collier rotatif, afin de faire ainsi varier la distance entre les surfaces respectives d'étanchéité. L'écoulement de fuite au-delà des surfaces d'étanchéité a donc ainsi tendance à augmenter jusqu'à ce que la pression régnant dans une chambre de soutien se développe à un point auquel 20 la force agissant sur une face de la bague d'étanchéité par suite du développement de la pression dans la chambre de soutien, équilibre la force de pression de liquide agissant sur la face opposée de la bague d'étanchéité, établissant ainsi un état d'équilibre de cette dernière. Le régime de fuite est donc fonction de la 25 pression, du parcours d'écoulement, et de la température. Toutefois, un joint ne doit pas être affecté par les phénomènes thermiques transitoires, et doit avoir un régime de fuite pratiquement constant à toutes pressions et températures. La présente invention a donc principalement pour objet 30 de réaliser un dispositif d'étanchéité du type à face de fuite commandée dont le parcours d'écoulement se modifie avec les variations de pressions, de matière à maintenir un régime de fuite pratiquement constant dans le dispositif d'étanchéité. A cette fin, la présente invention réside dans un ensem-35 ble d'étanchéité destiné à limiter l'écoulement de liquide le long d'un arbre rotatif passant à travers un orifice formé dans une paroi séparant des régions de plus haute et de plus basse pres- - t BAD ORIGINAL 69 15936 2008693 sions, cet ensemble comprenant une monture analogue a ïu?e collerette partant radialement de l'arbre et présentant une face d'é-tanchéité, une monture annulaire entourant cet arbre en relation d'étanchéité avec cette paroi et présentant une face d'étanchéité 5 opposée a celle de la: monture en forme de collerette, ces faces d'étanchéité formant entre elles un parcours de communication de la région de plus haute pression à celle de plus basse pression, les faces d'étanchéité de ces montures étant exposées à la pression régnant dans ce parcours de communication, et la monture annulaire 10 présentant une zone déterminée, opposée à la face d'étanchéité exposée au liquide sous haute pression, dispositif caractérisé par le fait que l'une au moins de ces montures comprend une plaque annulaire pourvue de cette face.-^d'étanchéité et montée sur cette monture de manière que la partie terminale de la plaque, 15 voisine de la région de plus basse pression, soit élastiquement poussée en direction de la face d'étanchéité opposée*. L'invention ressortira mieux de la description qui va suivre d'une forme préférée de réalisation représentée à titre d'exemple seulement aux dessins annexés, sur lesquels ï 20 La Figure 1 est une vue, en coupe, d'un agencement d'é tanchéité d'arbre réalisé selon les principales caractéristiques de 1 ' inven tion ; La Figure 2 est une vue schématique montrant comment la forme du parcours d'écoulement dans le joint se modifie avec la 25 haute et la basse pression; et La ^igure 3 est une vue schématique montrant les forces de pression et de serrage agissant sur les organes du jointo Ainsi que le montre la Figure 1, le dispositif d'étanchéité comprend un logement 10 pourvu d'une paroi annulaire 11 30 destinée à former dans ce logement 10 une chambre de pression 12, un arbre 14 monté rotatif à l'intérieur du logement 10, un ensemble de couronne mobile d'étanchéité 16, et un ensemble de bague d'étanchéité 18 disposé à l'intérieur du logement 10. L'arbre 14 peut être entraîné par un moteur convenable (non représenté), et 35 utilisé pour entraîner la turbine d'une pompe centrifuge (non représentée) qui fait circuler un liquide dans une installation sous pression,, Une injection d'eau peut être fournie à la chambre • ~ 1 8AD ORIGINAL 69 15936 -3- 2008693 12, sous une pression plus élevée que celle développée par la pompe. L'ensemble 16 de couronne mobile comprend une monture annulaire 20 et une plaque annulaire 22 d'étanchéité. De même, l'ensemble 18 de bague d'étanchéité comprend une monture annulaire 5 24 et une plaque annulaire 260 La monture 20 tourne avec l'arbre 14 car elle est montée sur un support annulaire 28 qui s'engage sur un épaulement 30 de l'arbre 14 et est fixé à ce dernier au moyen d'un manchon 32, lequel est monté sur l'arbre entre celui-ci et une branche axiale 10 34 du support 28. Un épaulement 36 de la monture 20 repose sur la branche 34 et un épaulement 40 du manchon 32 retient la monture 20 sur le support 28. Une clavette 42, calée à la presse dans un évidement 44 du manchon 32, s'engage dans une fente axiale 46 de la monture 20. Une force axiale de fixation est exercée 15 sur le manchon 32 et le support 28 par un écrou (non représenté) qui oblige le manchon 32 et le support 28 à tourner avec l'arbre 14. La clavette 42, elle-même, oblige la monture 20 à tourner avec le manchon 32 qui tourne avec l'arbre*» Des joints toricpes 48 et 50 sont disposés entre le support 28 et l'arbre 14 et la 20 monture 20, respectivement. Un joint torique 52. est disposé à l'interface 54 entre la monture 20 et la plaque de face 22. Cette plaque 22 est constituée d'une matière résistant à la corrosion et à 1*érosion, ayant pratiquement le même coefficient de dilatation que la matière constituant la monture 20, 25 cette dernière ayant un module élevé d'élasticité. De même, la plaque de face 26 est constituée d'une matière résistant à la: corrosion et à l'érosion, ayant pratiquement le même coefficient de dilatation que la matière constituant la monture 24, présentant un module élevé d'élasticité. On peut citer comme exemples 30 de matières convenables les carbures et les céramiques» Un joint torique 56 est disposé à l'interface 58 entre la monture 24 et la plaque 26. La monture 24 est montée mobile sur une branche 60, dépassant axialement, d'une bague d'étanchéité annulaire encastrée, 35 62, qui est retenue dans le logement 10 par des vis a tête cubique 64.- Un joint torique 66 est disposé à l'interface 68 entre la bague encastrée 62. et le logement 10o De même, un joint 3AD ORIGINAL 15936 -4- 2008693 torique 70 est disposé dans l'interface 72 entre la monture 24 et la branche 60 de la bague encastrée 62tt Le mouvement de rotation de la monture 24 est empêché' par un goujon 74 calé à la presse dans la bague encastrée 62 et pénétrant dans une cavité/ 78 5 de la monture 24 avec un jeu suffisant entre la paroi de cette cavité 78 et le goujon 74 pour permettre le mouvement axial de la monture 24, nais en limiter le mouvement de rotation * La placée 26 de face e«t fixée à la monture 24 au moyen c'a/, uisposiùif de blocage 80 qui comprend une cague de retenue 10 32, une bague de serrage. 84 et une bague de Sô9 un certain n or.br e de vis b té'tc- cubique Se et des rende liec Bel.lev? Ile 9C montées sur les vis 88 entre la bague de blocage 86 et la bague de serrage 84» Les vic à tête cubique 38 traversent la bague de retenue 82, la baaue de serrage 84, les rondelles Belleville 90 et 15 se vissent de. la bague de blocage 86„ L'interface 58 de la mon turf; 24 est évidée en 92 pour fermer sur celle-ci un point d'appui annulaire 94, à un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur de l'interface d? la plaque 26* La bague 92 de teuu» ;~::ésente une collerette dirigée 20 intérieureiuanr peur vue d'une arête 98 qui s'engage sur la partie Çû de la plaque 2c s'étendant au-delà du point d'appui 94 « La bague de serrage 84 présente une collerette dirigée intérieurement pourvue d'une arête 10C qui s'engage sur une face 102 de la Monture 24« Par suite, le serrage des vis à tête cubique 88, pour 25 tirer l'une vers l'au\re la bague de serrage 84 et la bague de retenue 82, produit une f~rec qui exerce un effet de perte-a-f svv la plac;.'-; face 2*. du pci'i d'^pui 94- ,»u «-r-ars de cc serrage, les rondelles 2c 11®ville sè J;rcu"er.t ger+iol"e:~e*,t comprimées et la plaque de face 26 est dcfcrr.éé pur la fer-1" d-~ 30 serrage0 La piaquo ce face 22 est fixée à la monture 20 par an dispositif de blocage 80 de manière similaire à celle décrite en référence a la plaque 26„ Toutefois, le point d'appui 104 sur l'interface 54 de la monture 20 est situé plus proche du diamètre 35 extérieur de la plaque 22 que le point d'appui 94 sur la monture 24, Far suite 1? force de serrage appliquée sur la plaque de face 22 ne produit pas sur celle-ci, auteur du peint d'appui 104, une 0AD ORIGîMAl 69 15936 !-5- 2008693 déformation aussi forte que celle produite sur la plaque 26» Si on le désire, les points d'appui 94 et 104 peuvent être placés aux mêmes endroits par rapport à leurs plaques de face» Selon la précédente description, l'ensemble de bague 5 d'étanchéité 18 est monté pour mouvement axial limité par rapport à l'arbre 14 et a l'ensemble 16 de courant mobile d'étanchéité0 De même, le mouvement rotatif de l'ensemble 18 est limité au moyen du goujon anti-rotation 74 qui s'idapte librement dans la cavité 78 de la monture 24. Une face d'étanchéité 106 formée sur 10 la plaque 26 est rappelée, en direction d'une face d'étanchéité opposée 108 formée sur la plaque 26, par gravité si l'arbre est disposé en position verticale ainsi que représenté à la Figure 1» En cours de fonctionnement de la pompe entraînée par l'arbre 14, les surfaces 102 et 110 de la monture 24 sont soumise* 15 à la totalité de la pression régnant dans la chambre de haute pression 12» Il est désirable d'assurer une barrière de pression entre la chambre 12 sous haute pression et une région annulaire 111 de basse pression, adjacente au manchon 32. L'ensemble 18 de bague d'étanchéité est utilisé comme barrière de pression, mais 20 permet un degré de fuite contrôlé de la chambre 12 à la région 111, par l'intervalle 112 compris entre les faces opposées d'étanchéité 106 et 108 des plaques 26 et 22, respectivement,» En cours de fonctionnement, une position compensée ou d'équilibre de l'ensemble 18 de bague d'étanchéité axialement mo-25 bile, est maintenue selon la pression exercée sur les faces opposées de l'ensemble. L'épaisseur du liquide compris dans l'intervalle 112, et par suite le degré de fuite par cet intervalle est déterminé par la configuration de ce dernier» Pour obtenir un rétablissement automatique de la posi-30 tion relative de l'ensemble 18 de bague d'étanchéité et de l'ensemble 16 de couronne mobile sous l'effet d'une variation dans l'intervalle 112, un parcours d'écoulement de liquide d'épaisseur décroissante est assuré du bord ou extrémité sous haute pression 114, à une position située entre les extrémités des faces d'étan-35 chéitéo Plus particulièrement, dans la construction représentée, le parcours d'écoulement de liquide d'épaisseur décroissante s'étend entre le bord extérieur 114 et un cercle concentrique 69 15936 -6- 2008693 intermédiaire situé en 116 sur la face 106 d'étanchéité. Ainsi que.représenté, dans le présent dispositif l'épaisseur décroissante de parcours. d'écoulement est obtenue par une inclinaison de la surface 106' I?éloignant légèrement de la surface 5 opposée 108.de la plaque 22, entre le cercle 116 et le bord extérieur 114 de la plaque 26.- L'angle entre les surfaces 106 et 108 représenté aux dessins est exagéré. Cette configuration ou construction est connue sous le nom de joint à faces inclinées. Le fonctionnement du joint d'arbre dépend de l'équilibre des forces 10 de pression hydrostatique agissant dans le sens axial sur l'ensemble 18 non rotatif d'étanchéité. Le passage d'écoulement 112 compris entre la plaque 26 et la plaque 32 de couronne rotative est construit de manière à assurer une force axiale nette nulle sur l'ensemble de bague d'étanchéité seulement au jeu de fonction-15 nement. L'écart par rapport à ce jeu de fonctionnement modifie la répartition de pression sur la face de siège primaire 106 de la plaque 26, ce qui fait reculer la bague d'étanchéité à la position d'équilibre»» Selon la précédente explication, le régime de fuite 20 dans le parcours d'écoulement 112 est fonction de la pression, du parcours d'écoulement et de la température. Par suite* les joints construits selon la technique antérieure avaient un faible régime de fuite aux basses pressions et un régime élevé aux hautes pressions. L'agencement d'étanchéité que l'on vient de décrire est 25 construit de manière h maintenir pratiquement constant le régime de fuite sous des pressions variables. Selon 1'explication qui précède, la manière dont les plaques de faces 26 et 22 sont fixées sur leurs montures 24 et 20 produit une déformation de ces dernières autour des points d'appui 30 respectifs 94 et 104o Cette déformation est illustrée de manière exagérée par les traits mixtes de la Figure 2« Par suite, la forme- du parcours d'écoulement 112 passe de celle: représentée par les traits mixtes à basse pression à celle représentée en traits pleins à haute pression,. • 35 La manière dont le parcours, d'écoulement-est modifié est illustrée à la Figure 3. Ce croquis montre comment les forces exercées sur la plaque 26 de l'ensemble 18 de bague d'étanchéité 69 15936 -7- 2008693 se modifient en raison d'un changement du parcours d'écoulement produit par les variations de pression. F^ est la force de serrage qui est constante. Elle a un bras de moment r^« Fg est la force entre l'interface 58 de la monture 24 et l'interface opposée 5 de la plaque 26» La valeur de change avec la pression, mais le bras de moment rg reste le même» F^ est la force produite par la chute de pression dans le parcours d'écoulement 112» Au-dessus d'une certaine pression, la force F^ agissant au rayon r^, produit un moment qui est supérieur aux moments produits par F2 et F^0 1C Quand cette pression est atteinte, la plaque de face est serrée solidement contre la monture ainsi que le montre la Figure 3, et le parcours d'écoulement représenté en traits pleins à la Figure 2 existe alors. Ce parcours produit un régime de fuite plus faible que celui représenté en traits mixtesc 15 Aux Lasses pressions, on obtient donc un certain par cours d'écoulement qui produit un régime désiré de fuite. A mesure de- l'augmentation de la pression, la plaque de face est re-peussée contre sa monture. Le centre de la force de pression se modifie également et neutralise graduellement la force de serrage 20 déterminée par les rondelles Belleville du dispositif de serrage, de sorte que la plaque se trouve déformée en sens opposé. Le parcours d'écoulement s1est donc modifié en même temps que la pression de sorte qu'il existe alors un régime désiré de fuite a haute pression ainsi qu'à basse pression,, 25 Selon l'explication qui précède, la plaque 22 peut être serrée sur la nonture 20 de manière à être également déformée pai le dispositif da serrage, mais à un moindre degré que la déformation de la plaque 26. Ceci est déterminé par la position du point d'appui 104 de la plaque 22. Le degré de modification du parcours 30 d'écoulement 112 entre les plaques de faces avec une variation de pression est donc déterminé par les positions des points d!appuis de ces plaques et la force appliquée par le dispositif de serrage* Des matières ayant un coefficient de dilatation similaire étant utilisées pour les plaques et leurs montures, les 35 phénomènes thermiques transitoires ont donc peu d'effet sur le régime de fuite„ Ainsi qu'on l'a fait observer précédemment, les montures sont constituées d'une matière ayant un nodule dtélastici- fr~ Sftp ORB^AL 69 15936 -8- 2008693 té élevé de sorte que leur déformation est négligeable aux hautes pressions. La déformation des faces d'étanchéité est permise afin de faire varier le parcours d'écoulement avec les variations de pressions. L'invention offre donc un agencement d'étanchéité 5 qui maintient pratiquement constant le régime de fuite à pression variable, et virtuellement indépendant des phénomènes thermiques transitoires. BAD ORIGINAL 69 15936 -9- 2008693 REVENDICATIONS la - Ensemble d'étanchéité destiné à limiter l'écoulement du liquide le long d'un arbre rotatif passant à travers un orifice formé dans une paroi séparant des régions de plus haute 5 et de plus basse pressions, cet ensemble comprenant une monture analogue à une collerette partant radialement de l'arbre et présentant une face d'étanchéité, une monture annulaire entourant cet arbre en relation d'étanchéité avec cette paroi et présentant une face d'étanchéité opposée à celle de la monture en forme 10 de collerette, ces faces d'étanchéité formant en trilles un parcours de communication de la région de plus haute pression à celle de plus basse pression, les faées d'étanchéité de ces montures étant exposées à la pression régnant dans ce parcours de communication, et la monture annulaire présentant une zone déter-15 minée opposée à la face d'étanchéité exposée au liquide sous haute pression, dispositif caractérisé par le fait que l'une au moins de ces montures comprend une plaque annulaire pourvue de cette face d'étanchéité et montée sur cette monture de manière que la partie terminale de la plaque, voisine de la région de plus 20 basse pression, soit élastiquement poussée en direction de la face d'étanchéité opposée* 2. - Ensemble selon revendication 1, caractérisé par le fait que la monture est pourvue d'un point d'appui supportant la plaque de face, et l'agencement est pourvu d'un dispositif de 25 serrage qui pousse une extrémité radiale de la plaque, axialement en-direction de la monture afin de repousser ainsi l'autre extrémité de la plaque de cette monture en direction de la face d'étanchéité opposée. 3. - Ensemble selon revendication 2, caractérisé par 30 le fait que le point d'appui est disposé à l'extrémité radialement extérieure de la monture*. 4. - Ensemble selon revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que le dispositif de serrage comprend une bague de retenue pourvue d'une collerette portant sur la plaque de face, 35 une bague de serrage pourvue d'une collerette s'engageant sur la monture, une bague de blocage encerclant la monture, des tire-fond passant à travers la bague de retenue et la bague de serrage 15936 -10- 2008693 pour se visser dans la bague de blocage afin de tirer l'une vers l'autre les bagues de retenue et de serrage, ainsi que des rondelles à ressort disposées entre les bagues de blocage et de serrage» 5 50 - Ensemble selon l'une ou l'autre des revendications 1 a 4, caractérisé par le fait que la plaque de face et la monture associée sont constituées de matières ayant pratiquement le même coefficient de dilatation',, 6. - Ensemble d'étanchéité destiné à limiter l'écou-10 lement de liquide le long d'un arbre rotatif, selon la description en référence et représenté aux dessins annexés.