Brevet FR2020614A1 — publié le 19700717

La présente invention se rapporte à un dispositif de retenue de fluide du type à fuite limitée qui comprend deux épaulements annulaires espacés et une bague flottante de contrôle de fuite montée radialement,formés d'une matière très dure et proportionnés pour que les forces axiales sur la bague flottante restent équilibrées sur les extrémités opposées de cette bague même si les passages d'écoulement de fuite, entre les extrémités de la bague et les épaulements, s'obstruaient-. La matière formant ces parties est assez dure pour tendre a broyer ou à écraser toute matière formant bouchon et, de ce fait, le fluide tend à l'emporter par balayage. Le brevet américain N 2o221o225 décrit un dispositif pour empêcher une fuite non désirée le long d'un arbre rotatif, en fonctionnant suivant un principe qui permet une valeur de fuite, contrôlée et limitée, de la surface à pression supérieure à la surface à pression inférieure, à travers des intervalles entre les extrémité d'une bague flottante de contrôle de fuite et des surfaces en recouvrement radial des épaulements, qui tournent avec l'arbre. Les intervalles sont rendus aussi petits que possible afin de limiter la fuite à une valeur aussi faible que possi- ble, et la bague est axialement centrée par le fluide qui s'échappe pour empêcher les parties limitant la fuite, de venir en contact les unes avec les autres, empochant ainsi l'usure de ces parties. Jusqu'd présent, il n'a pas été possible, en particulier dans des conditions de haute pression ou de pression relativement élevée, de réduire la section transversale des intervalles à une valeur assez faible pour maintenir la fuite à des valeurs accepta- bles pour certains types de service. Des ?roduits de contamination ou de pollution contenus ou qui se forment dans 1 fluide tendent à se déposer dans des emplacements qui obstruent lee intervalles si bien qu'on a rencontré beaucoup de difficultés dans des essais pour maintenir 11 efficacité de ces joints du type à fluide contrôlé par bague équilibrée pendant des périodes substantielles de temps.Lorsque le fluide à retenir est de l'eau, on trouve que même si l'eau est de grande pureté elle prendra des atomes ou des molécules de matière à partir des surfaces dans lesquelles elle s'engage avant d'atteindre l'ensemble de joints, même si toutes les parties sont de nature relativement inerte, et l'ionisation de ces constituants est provoquée par l'action d'étranglement dans les intervalles. Si l'étranglement est sévère, des particules des matières ionises tendent à adhérer et à se former sur les surfaces d'intervalles, obstruent les chemins de fuite proportionnés avec précision et perturbent l'équilibre axial de la bague flottante d'étranglement, en amenant celle-ci à être forcée contre une surface voisine avec pour résultat une usure et une destruction rapides de l'ensemble de joints. les objectifs de la présente invention peuvent être résumés par le fait qu'on surmonte les difficultés indiquées et qu'on obtient un dispositif de retenue qui est virtuellement non affecté par ces influences d'obstruction, qui conserve son efficacité d'étanchéité pendant des périodes de temps beaucoup plus longues et qui est capable d'une efficacité d'étanchéité bien supérieure parce que les principes de la présente invention y sont appliquée, les parties peuvent être montées d'une manière beaucoup plus intime sans présenter le danger de les voir détruites ou rapidement emportées par l'usure sous les influences décrites ci-dessus. D'autres objets et avantages de la présente invention apps- raîtront en considérant la description suivante en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels La figure 1 est une sue en coupe longitudinale sensiblement radiale d'un arbre et d'un ensemble d'étanchéité construit selon la présentè invention, et La figure 2 est une vue en coupe prise sensiblement sur la ligne II-II de la figure 1, et en regardant dans la direction des flèches. En se référant maintenant au dessin, qui ne représente que la moitié longitudinale supérieure d'un ensemble symétrique, pour permettre de représenter lès parties à une plus grande échelle, la référence 10 désigne un arbre rotatif dans un support 12 et le long duquel on désire empêcher une fuite non désirée à partir d'une surface à haute pression 15 représentée à l'extrémité gauche de l'ensemble, sur la figure 1, jusqu'à une surface à pression inférieure 16 à droite Le dispositif de retenue comprend un ensemble de tambour d'équilibrage généralement désigué par 20 at qui est formé de trois sections annulaires 21, 22, 23, montées sur l'arbre pour tourner avec lui et comprimées ensemble, en relation d'étanchéité et de butée aux extrémités, l'une par rapport à l'autre et par rapport à l'arbre, entre un @paulement 24 sur l'arbre à l'ex- trémité à pression inférieure et une bague de butée 25 à l'ex- trémité à pression supérieure. Les sections du tambour d'équilibrage sont de préférence formées par une matière qui est sensiblement plus dure que les constituants qui peuvent être déposés à partir du fluide.On a utilisé avec succès de l'alumine polycristalline dans ce but, ayant une dureté de l'ordre de 78 unités Rockwell à l'échelle 45 No Pour des raisons de construction, il n'est pas souhaitable de monter des bagues formées de cette alumine d'une manière serrée sur un arbre métallique et les alésages axiaux des bagues 21-23 sont en conséquence d'une dimension légèrement en excès et sont scellés à l'arbre par des joints toriques 26, 27. La chambre alésée 16 dans l'enveloppe 12 a une configuration en gradins, ayant une partie cylindrique plus petite 17 à l'ex- trémité intérieure ou à pression élevée, et une partie cylindrique plus grande 19 formant un prolongement concentrique dans la surface à faible pression. Dans la construction préférée représentée, une zone à haute pression du dispositif de retenue est séparée de la chambre à haute pression 15 par un joint mobile ayant une bague fixe 30 résistant à l'usure qui peut être formée d'une composition carbone-graphite, telle que celle connue sous la marque déposée "Graphitar", qui définit un épaulement plat à l'extrémité gauche de la section cylindrique plus petite 17 de l'ouverture 16.Une bague mobile 31 qui peut être formée d'une composition semblable carbone-graphite est logée dans la partie de chambre 17, montée dans une section d'entaille 32 de la bague 21 et porte contre la bague 30. La section d'entaille 32 de la bague 21 est légèrement plus large axialement que la bague 31, si bien que la pression d'un fluide tampon introduit à travers le conduit 33 peut agir à l'extrémité droite de la bague 31 pour la pousser contre la bague 30, la pression de ce fluide tampon étant légbre- ment plus forte que la pression dans la chambre 15. La section plus petite 17 de la chambre 16 est réunie à la partie plus grande 19 par un épaulement plat 35. La bague 21 du tambour d'équilibrage est placée totalement dans la section plus petite 17, tandis que la bague 23 du tambour d'équilibrage a un plus grand diamètre et est placée totalement dans la section plus grande 19 à une position axialement espacé de l'épaulement 35.La bague 22 a un diamètre extérieur plus petit, définissant un évidement dans lequel est montée une bague 38 de contrôle de fuite qui fait projection dans les deux parties de chambre 1719 et qui est légèrement plus courte axialement que l'espacement entre l'épaulement plat 40 défini par l'extrémité droite de la bague 21 et l'épaulement 41 défini par l'extrémité gauche de la bague 23. La bague 38 est également formée d'une matière très dure telle que de l'alumine polycristalline. L'épaisseur radiale de la partie cylindrique d'extrémité gauche 47 de la bague 38 de contrôle de fuite est inférieure à la distance radiale entre la bague 20 et la paroi intérieure de la partie d'alésage 17, mais cette partie 47 de la bague 38 est scellée par rapport à l'enveloppe 12 par un joint torique 42.Dans un exemple de réalisation de la présente invention couronné de succès la distance entre les surfaces 40 et 41 des bagues 21, 23,respectivement, dépasse la longueur de la bague 38 de 0,0127 mm et la pression dans la chambre 15 est 155 kg/cm2, la pression de fluide 2 tampon dans le passage 33 est 162 kg/em2 et la pression dans la chambre 16 est la pression atmosphérique, L'extrémité droite de la bague 38 est formée sous forme d'une collerette s'étendant librement vers l'extérieur dans la plus grande partie de chambre 19. La surface d'extrémité droite de la bague 38 est pourvue d'une surface annulaire de dépouille, s'étendant vers l'extérieur à partir de sa périphérie intérieure jusqu'à un épaulement circulaire 46 reliant cette surface de dépouille qui a le même diamètre que la partie de surface 47 engagée par le joint torique 42 et est concentrique à cette partie 470 La partie de surface droite de la collerette de la bague 38 qui s'étend vers l'extérieur à partir de l'épaulement 46 est désignée par 470 Les deux surfaces 45 et 47 sont plates et perpendiculaires à l'axe tout comme le sont les surfaces 40 et 41- et la surface 43 à l'ex- trémité gauche de la bague 38. On comprendra que le fluide tampon est fourni pour empêcher tout échappement de-fluide depuis la surface à haute pression T5, mais que si des considérations techniques sont telles que l'échappement de fluide, depuis la surface à haute pression, en quantité limitée est permise, on peut se passer d'alimentation en fluide tampon et le joint formé par les bagues 30, 31 peut être aussi éliminé, en permettant à la surface à haute pression 15 de s'étendre, en effet, jusqu'au joint torique 42 et afin de fournir l'écoulement de fluide d'équilibrage.En tous cas, le fluide à haute pression provenant de la surface à gauche de la bague 42 s'écoule radialement vers l'intérieur à travers l'intervalle amont entre les surfaces 40, 43, puis vers la droite à travers un canal fourni par le jeu relativement grand 50 entre le diamètre intérieur de la bague 38 et le diamètre extérieur de la bague 22, et de là radialement vers l'extérieur à travers l'intervalle aval entre l'épaulement 41 et les surfaces 45, 47. Cet écoulement de fluide est faible par suite du montage intime aux intervalles mais maintient la bague 38 espacée des deux épau liements 40, 41. Le joint 38 flotte ainsi hors de tout contact de frottement avec toutes les surfaces, à une seule exception près, celle du joint torique 42. La surface du filet 47, qui détermine la force vers la gauche sur la bague 38 dans des conditions de fonctionnement normales, est telle que cette force vers la gauche est légèrement in férieure à la force exercée vers la droite, qui dépend de la surface effective en coupe transversale de la partie de la bague 38, à la gauche du joint torique 42. in conséquence, la bague 38 tend à s'équilibrer dans une position légèrement plus près de l'épaulement 41 que de l'épaulement 40, si bien que la plus grande restriction à l'écoulement se produit dans l'intervalle aval entre les surfaces 41, 47.Dans un joint préféré construit comme on l'a reprisent, la bague 38 flotte dans une position telle que l'intervalle aval entre les surfaces 41-47 est approximativement 0,0050 mm et l'intervalle amont entre les surfaces 40-43 est approximativement 0,0076 flo Le fluide tampon est de l'eau distil- lde. Il est conduit d travers des conduites en acier inoxydable, et la matibre dissoute et prise par l'eau provenant des surfaces d'emmagasinage et de conduite n'est que de quelques parties par milliards.Malgré la haute pureté de l'eau, on trouve que lorsqu'elle est forcée de s'écouler à travers ces intervalles limités comme ceux-ci sous une haute pression (t62 kg/cm2 dans l'exemple de réalisation auquel on s'est référé), l'ionisation des matières étrangères dans l'eau se produit dans la surface de plus grande limitation initiale, et les matières ionisées tendent à s'accumuler dans cette région à limitation plus sévère.On a trouvé que par suite de cet effet d'ionisation, si un joint, tel que celui décrit dans le brevet américain n 2.220b225 mentionné, était mis en fonctionnement aux pressions indiquées dans le brevet, et avec des intervalles de limitation d'écoulement tassez proches pour limiter l'écoulement de fuite de l'eau à travers les intervalles à une valeur en dessous de- la valeur indiquée dans le brevet (66,15 litres de fuite par minute sous une différence de pression de 70 kg/cm2), la durée d'utilisation effective du joint est courte parce que l'accumulation de matière ionisée bouche l'intervalle à laquelle la plus grande limitation se pro duit, déséquilibre les forces axiales sur la bague de contrôle de fuite et déplace celle-ci axialement jusqu ce qu'elle s'en gage par frottement avec une des surfaces fixes d'intervalle, si bien qu'une usure rapide se produit Avec la construction décrite 2 ici, d'autre part, avec une différence de pression de 162 kg/cm29 le taux de fuite n'est que de 22,7 litres par heure. De plus, la durée d'utilisation du joint est très longue et, en fait, n'a pas été déterminée étant donné qu'aucune usure discernable ne s'est produite durant une période d'expérimentation de plusieurs mois. Dans le joint de la présente invention, en fonctionnement dans les conditions indiquées, la chate-de-pression dans l'inter- valle amont est approximativement 362,4 kg. Virtuellement, au cune chute de pression n'intervient dans le canal 50 ou dans la surface de dépouille 45, qui n'est pas fonctionnellement une par tie de l'intervalle aval, mais simplement une surface d'entrée. La chute de pression restante se produit entièrement entre l'pau- lement 46 et la périphérie de la collerette 44, et cet interval le, qui coïncide avec la surface 47, est proportionné pour créer une force réactive, vers la gauche sur la bague 38, légèrement inférieure à la force réactive dans l'intervalle amont qui pous se la bague 38 vers la droite, comme on l'a noté ci-dessus. Dans ces conditions de conception et de fonctionnement, le dépit iné- vitable, mentionné ci-dessus, de matière étrangère ionisée se produit dans la région de l'épaulement 46. Bien que ces dépôts tendent à obstruer l'intervalle aval, les bagues 23 et 38 sont formées d'une matière plus dure que les dépôts, et puisqu'un cer tain mouvement rela.tif se produit entre ces bagues, l'action est suffisante pour écraser et broyer les matières étrangères et leur permettre d'être balayées à travers l'intervalle et éliminées. Xême si les parties ne sont pas mises en rotation pendant de longues périodes de temps et, par suite de ceci ou pour d'au tres raisons, si les dépôts s'établissent à un degré qui bloque rait virtuellement l'intervalle aval, la conception est telle que la bague 38 ne sera pas forcée à se mettre en contact avec frottement à l'une ou à l'autre de ses extrémités.Un tel désé quilibre est empêché en proportionnant la surface du filet 45 pour qu'elle corresponde à la surface effective de l'extrémité gauche de la bague 38. Ainsi, si l'intervalle aval se bouche, un équilibre hydrostatique est maintenu, aux extrémités de la bague 38, entre la pression dans l'intervalle amont et la pression dans la surface de dépouille 45, en empêchant la création de toute force qui pousserait le dispositif à se mettre en contact avec frottement avec l'une ou l'autre des bagues 21, 23 Ainsi, la bague 38 tend à rester dans une position flottante jusqu'à ce que le mouvement entre elle et la bague 23 s'interrompe et permet la décharge de la matière d'obstruction à la manière décrite. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisations qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICAtIONS 1 - Ensemble de retenue de fluide, du type à contrôle de fuite équilibrée, pour deux éléments espacés radialement et montés axialement, qui peuvent tourner l'un par rapport à l'autre sur un axe commun prédéterminé, caractérisé en ce qu'il comprend deux épaulements annulaires plats montés sur un élément et se faisant face à une certaine distance, et une bague de contrôle de fuite, flottant axialement, scellée sur une ligne circulaire en relation avec l'autre élément et en recouvrement radial sur les deux épaulements mais légèrement plus courte axialement que la distance entre ces derniers, et,de ce fait, le fluide provenant d'une surface à pression superieure à une extrémité de la bague peut s'écouler radialement en travers d'une face d'extrémité de cette bague par l'intermédiaire d'un intervalle amont annulaire entre celle-ci et un des épaulements, et peut s'écouler dans la direction radiale opposée en travers de l'autre extrémité de cette bague par l'intermédiaire d'un intervalle aval entre l'autre face d'extrémité de celle-ci et l'autre épaulement, vers une surface à pression inférieure ; cet ensemble de retenue est aussi caractérisé en ce que la bague de contrôle de fuite, flottant axialement, comporte une surface de dépouille à son extrémité aval définie par une surface annulaire raccourcie axialement et s'étendant radialement de ltentrée de fluide circulaire de l'intervalle aval jusqu'à une limitation circulaire ayant un diamètre au moins aussi grand que ladite ligne circulaire, les surfaces en recouvrement aux extrémités opposées de cette bague étant proportionnées pour créer sur elle une force réactive axiale légèrement moindre dans l'intervalle aval que dans l'intervalle amont et, de ce fait, l'intervalle aval tend à être légèrement plus étroit que l'intervalle amont. 2 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre de la limitation circulaire est le même que celui de ladite ligne circulaire. 3 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague flottante et l'épaulement aval sont formés de matière plus dure que les produits qui peuvent se déposer à partir du fluide. 4 - Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague flottante et l'épaulement sont formés d'alumine polycristalline. 5 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague flottante et les deux épaulements sont formés de matière plus dure que les produits qui peuvent se déposer à partir du fluide, les épaulements étant fixés à l'élément intérieur de montage et la bague ayant une surface extérieure cylindrique scellée à l'élément extérieur par un anneau de scellement élastique, le diamètre de la limitation circulaire tant au moins égal à celui de la surface extérieure cylindrique s @ la bague et la surface de dépouille s'étendant radialement q; @ l'intérieur à partir de la limitation.