Brevet FR2027317A1 — publié le 19700925

La présente invention se rapporte, an générai, aux dispositifs d'étanchéité pour liquides, et plus particulièrement aux Joints du type à faces de régulation de fuite pour arbres rotatifs. Certaines pompes de refroidisseur primaire utilisées dans les grandes centrales nucléaires commerciales sont pourvues de Joints du type à faces de régulation de fuite destinés à retenir et à confiner le liquide radioactif à l'intérieur des limites d'enceinte sous pression du circuit fermé.-Ces joints sont construits pour fonctionner dans une pression ambiante dlinstal- -lation modérément élevée. Cette pression est donc utilisée comme paramètre principal pour assurer la sécurité de fonctionnement aux conditions normales.Toutefois, ces Joints doivent également fonctionner en offrant toute sécurité pendant de courtes périodes dans des conditions de pression d'installation bien au-dessous de la pression normale de fonctionnement. tes Joints antérieurs du type à faces de régulation de fuite sont particulièrement sensibles dans cette région et sont suJets au frottement sous faible pression si les variations thermiques ét/ou de pression se superposent. Fondamentalement, la fuite entre les faces d'étanchéité des Joints antérieurs est déterminée par l'ouverture entre cellesci et la différence de pression a' travers ses faces. En négligeant le frottement et autres effets secondaires, ltouverture des faces d'étanchéité, théoriquement, doit Qtreindépendante de la pression d'installation pour un agencement de Joint à pression équilibrée. Par suite, la fuite doit varier en fonction de la pression d'installation. La séparation des faces étant constante, l'écoulement ou fuite en travers des faces d'étanchéité se trouve appréciablement réduite en cas de réduction de la pression d'installation. Cette réduction, à son tour, réduit la c apacité de dissipation de chaleur aux faces du Joint. Il s'ensuit une augmentation de température des faces d'étanchéité et en outre une possibilité de déformation provoquant le frottement. La présente invention a pour obJet de remédier à la possibilité de frottement au cours des périodes de fonctionnement sous basse pression. Le Brevet NO 3 141 677, au nom de J. G. Williams, en date du 21 juillet 1964 décrit un Joint mécanique du type à faces qui comprend un élément rotatif et un élément stationnaire ou. non rotatif présentant des faces d'étanchéité opposées. La face d'étanchéité de l'élément fixe est pourvue de deux rainures concentriques circonférentiellement espacées, et deuxpassages axiaux formés dans cet élément débouchent à une extrémité dans la rainure interne de la face dtétanchéité de telle sorte que le liquide sous pression agissant sur cette dernière passe dans cette rainure.Les autres extrémités des passages communiquent avec un espace de piston de manière que le liquide déchargé dans cet espace agisse sur l'arrière de l'élément non rotatif afin de déterminer l'intervalle existant entre les faces d'étanchéité en faisant mouvoir ltélément non rotatif axialement dans le sens de rapprochement ou d'éloigne ment de 11 élément rotatif. Un cordon de rupture de haute pression est formé entre les deux rainures concentriques, et des rainures espacées s'étendent radialement de la périphérie de lJélEment fixe en direction de ltintérieur pour se terminer à la rainure concentrique extérieure afin de former un certain nombre de semelles en arc-de-cercle.Le liquide sous haute pression pénètre dans le Joint par les rainures radiales et se déplace librement dans la rainure concentrique extérieure0 Quand l'élément rotatif tourne, ce liquide permet aux semelles d'accumuler le film nécessaire au fonctionnement correct du Joint. Quand le liquide'de fuite agit à travers le cordon compris entre les rainures concentriques, il passe par une rupture de pression et une partie du liquide qui atteint la rainure interne passe par les passages axiaux dans l'espace de piston dans lequel il agit contre l'arrière de l'élément non rotatif pour assurer un réaJustement. Les rainures radiales de la face~d'étanchéité ne créent donc aucune action de pompage entre les faces d'étanchéité, mais conduisent simplement le liquide dans las rainure concentrique extérieure. Le fonctionnement du Joint d'arbre décrit dans le bre -vet NO 3.347.552, au nom de Erling Frisch, en date du-17 octobre 1967,'dépend de l'équilibre des forces de pression hydrostatique agissant dans le sens axial sur une couronne d'étanchéité flottante non rotative. Le passage d'écoulement entre-la couronne d'étanchéité flottante et une couronne rotative est construit de manière à assurer une force axiale nette nulle sur la couronne dsétanchéité seulement à l'ouverture de fonctionnement. Un écart de l'ouverture de fonctionnement modifie la répartition de pression sur la face d'étanchéité primaire de la couronne flottante de telle sorte que celle-ci recule Jusqu'à la position d'équilibre. La face de la couronne d'étanchéité non rotative est usinée avec une certaine inclinaison sauf sur une faible largeur de la face interne considérée comme la zone d'étanchéité. Cette inclinaison -facilite l'entrée du liquide dans le Joint et assure un maintien essentiel de parallélisme des faces en cours: du fonctionnement dans une ambiance de haute pression, car la pression de face résultante est sensible à l'intervalle de fonctionnement et fait agir le dispositif comme -un servo-mécanisme hydraulique qui règle cet intervalle à la valeur correcte. Toutefois, le susdit agencement ne donne pas entière satisfaction aux basses pressions. En outre, l'inclinaison de la face exige des tolérances serrées de fabrication. Brièvement, la présente invention perfectionne l'agencement antérieur de Joint en formant des rainures ou des séparateurs sur la face de l'un au moins des éléments d'étanchéité. Ces rainures remplissent la mame fonction que l'inclinaison, et en outre, grace à leur-action de pompage, produisent une plus grande séparation des faces du joint aux basses pressions puisque la faible charge de cette pompe est appréciable à faible pression, mais se trouve neutrisee à haute pression. Le présent Joint est construit de manière à utiliser les ressources potentielles intrinsèques des parties-rotatives du joint pour neutraliser l'effet d'équilibre de pression en cours de fonctionnement à basse pression. De cette manière, l'écoulement ou fuite à travers le joint à basse pression se trouve augmenté par l'agrandissement de l'intervalle -entre les faces couplées avec l'action de pompage créée par les rainures spécialement agencées sur la face d'étanchéité0 Les rainures peuvent être situées au diamètre extérieur du joint pour un agencement de fuite vers l'intérieur, et au diamètre intérieur pour un agencement de fuite vers rieur. Les caractéristiques et objets de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée qui va suivre en référence aux dessins annexés, sur lesquels La Figure 1 est une vue, en coupe, d'un agencement de joint d'arbre réalisé selon les principalès caractéristiques de l:invention, avec un parcours de fuite du diamètre extérieur vers l'intérieur; La Figure 2 est une vue, en plan de dessous, d'une partie d'une couronne d'étanchéité utilisée dans l'agencement de la Figure 1 ; La Figure 3 est une vue, similaire å la Figure 2, montrant des rainures d'un type différent formées dans la face de la couronne d'étanchéité ; Les Figures 4 et-S sont des vues de détail, en coupe, suivant les lignes IV-IV de la Figure 2, et v~ltr de la Figure 3, respectivement ;; La Figure 6 est une vue, similaire à la Figure 1, d'un agencement de joint dans lequel la fuite s'effectue du diamètre interne en direction de l'extérieur ; et Les Figures 7 et 8 sont des vues, en plan de dessus, d'une partie d'une couronne-d'étanchéité utilisée dans l'agencement représenté à la Figure 6, et présentant des rainures de types différents. En référence aux dessins, et en particulier à la Figure 1, l'agencement représenté est en général du type décrit en détail dans le Brevet NQ 3.347.552 au nom de Erling Frisch, en date du 17 octobre 1967. La construction représentée comprend un bottier 10 pourvu d'une-paroi annulaire 11 destinée à former une chambre 12 sous pression hydraulique à l'intérieur du bottier 10e Un arbre 14 est monté rotatif à l'intérieur du bottier 10, et est pourvu d'une couronne mobile annulaire 15 qui supporte une couronne rotative annulaire d'étanchéité 16 présentant une face annulaire radiale d'étanchéité 18. L'arbre 14 est entratné par un moteur convenable (non représenté).La couronne mobile d'étanchéité 16 est entratnée en rotation avec arbre 14 au moyen d'une goupille 17 fixée dans la couronne 15 et pénétrant dans la couronne mobile d'étanchéité 16. tTn joint torique 19 empoche la fuite du liquide entre la couronne 15 et la couronne rotative d'étanchéité 16. Une couronne fixe 20 entoure arbre 14 et présente une face d'étanchéité 22 opposée à la face 18 de la couronne rotative 16. La couronne 20 a une coupe transversale de forme générale en L, et c omporte une branche 21 qi i remonte pour chevaucher une partie ou branche descendante 23 d'une bague annulaire de retenue 24 fixée au bottier 11 au moyen de vis à tête cubique 25. Un Joint torique 27 empoche la fuite du liquide entre la bague 24 et le bottier, 11. De mime, un joint torique 28 empoche la fuite entre la branche 21 et la partie 23 de la bague de retenue 2fur. Un mouvement- amial limité de la couronne d'étanchéité 20 est permis. Ce mouvement axial est limité par le roulement de butée de la pompe et la combinaison des dimensions de l'arbre. 1'intervalle 29 entre la branche horizontale 26 de la couronne d'étanchéité 20 et l'extrémité inférieure de la branche 23 n'est jamais fermé complètement, mais permet le mouvement axial de la couronne 20 durant le fonctionnement du joint à régulation de fuite. Le'mouvement rotatif de la couronne d'étanchéité 20 est limité par une goupille 31 fixée dans la partie 23 de la bague 24 et pénétrant dans une cavité- circulaire 32 formée dans la branche 26, cavité dont le diamètre est légèrement supérieur à celui de la goupille 31. Un bottier 30-renferme les Joints de soutien 34 et 36 de type bien connu. Le joint 34 stassocie à à une couronne 35 ca- lée à la presse sur l'arbre 14 afin d'empêcher la fuite du li- quide de la chambre 37 dans la chambre 39 du bottier 30. De m8me le joint 36 coopère avec un anneau 38 sur l'arbre 14 pour éviter les fuites de fluide de la chambre 39. Les chambres 37 et 39 sont respectivement pourvues d'une sortie Lp1 de fuite de joint princi pal, et d'une sortie 40 de fuite de joint de soutien. Les sorties fr0 et 41 sont pourvues de raccords convenables pour le retour du liquide de fuite au réseau de circulation du liquide.Le joint 34 maintient une contre-pression correcte pour le joint principal 20, et le joint 36 empoche la fuite dans l'atmosphère. Selon l'explication qui précède, la couronne d'étanchéi té 20 est montée pour mouvement axial limité par rapport a' l'ar- bre t4 et à la couronne rotative 16. De plus, le mouvement de rotation de la couronne d'étanchéité 20 est limité par la gou pille anti-rotation 31 ql i s'adapte librement dans la cavité 32 formée dans la couronne 20. la face d'étanchéité 22 de la couronne 20 est rappelée en contact avec la face d'étanchéité 18 de la couronne rotative 16 par gravité. Ainsi que l'explique le susdit brevet Frisch, les surfaces 42 et 144 de la couronne d'étanchéité 20 sont soumises à la totalité de la pression de la chambre 12 haute pression. La couronne 20 est utilisée comme barrière de pression entre la chambre 12 sous haute pression et une région annulaire 48 à basse pression adjacente à l'arbre 14 et formée par la bague de retenue 24. La région 48 comunique avec la chambre 37. Toutefois, un degré contré d'écoulement de fuite de liquide est permis de la chambre 12 à la région 48 par l'intervalle d'étanchéité 50 situé entre les faces d'étanchéité opposées 18 et 22 de la couronne rotative 16 et de la couronne fixe 20, respectivement. L'intervalle 50 s'détend entre une extrémité sous haute pression 52 et une extrémité sous bassè pression 51 de la couronne 20. L'épaisseur du liquide dans l'intervalle 50 est déterminée par la configuration de la couronne d'étanchéité 20. Afin d'obtenir un auto-rétablissement de la position relative de la couronne fixe 20 et de la couronne rotative 16 en I'occurence d'une variation de l'intervalle 50 produite par la vibration ou un défaut d'alignement de la couronne rotative, un parcours d'écoulement de liquide d'épaisseur décroissante est assuré du bord ou extrémité haute pression 52 à une position située entre les extrémités de la face d'étanchéité. Selon la description du susdit brevet Frisch, l'épaisseur décroissante du parcours d'écoulement est formée par l'inclinaison de la surface 22, l'éloignant légèrement de la surface 18 opposée de la courenne rotative 16, entre le bord externe 52 de la couronne fixe 20 et un cercle intermédiaire concentrique' 'situé entre ce bord ou périphérie externe 52, et le bord ou périphérie interne 51 de la face d'étanchéité 22. Cette configuration ou construction' est désignée par les termes Joint à race inclinée. L'inclinaison facilite la pénétration du liquide dans le Joint et assure le maintien essentiel du parallélisme des faces en cours de f onctionnement dans une ambiance de haute pression, car la pression résultante des faces est sensible à lointervalle de fonctionnement et fait agir l'agencement comme un servo-mécanisme hydraulique qui règle l'intervalle de fonctionnement à la valeur correcte. Toutefois, ltexpérience a démontré que le susdit agencement est sensible aux faibles pressions. En outre, puisque seul un léger degré d'inclinaison est désirable, des tolérances serrées sont requises pour l'usinage de l'inclinaison. La présente invention permet de réaliser un agencement de joint perfectionné en formant un certain nombre de rainures ou séparateurs sur l'une au moins des faces d'étanchéité. Ainsi que le montre plus clairement la Figure ?, un certain nombre de rainures 5fur, de configuration en spirale, sont formées sur la face 22 de la couronne fixe 20. Chacune des rainures 54 s'étend de la périphérie externe 52 vers l'intérieur de la face 22, et se termine distinctement des autres rainures entre la périphérie externe 52 et la périphérie interne 51 de cette face. Ainsi que représenté à la Figure 3, les rainures 5fur1 sont disposées radialement sur la face d'étanchéité 22 au lieu de la forme en spirale. Selon les Figures 4 et 5, la profondeur de chaque rainure 54 ou 541 peut soit diminuer uniformément de la périphérie externe jusqu'à son extrémité sur la face 22, soit avoir une valeur constante.Par suite, ces rainures remplissent la mEme fonction que l'inclinaison utilisée dans les constructions antérieures et, de plus, gracie à leur action hydro-dynamique sur le liquide, elles produisent une plus grande séparation entre les-faces du joint aux faibles pressions, puisque la faible charge développée par l'action de pompage des rainures est appréciable à faible pression, mais se trouve neutralisée à haute pression0 Les rainures ont la géométrie voulue pour produire une action de pompage vers l'intérieur, aux faces d'étanchéité, en plus de créer un plus grand intervalle de liquide en donnant en fait au joint la forme d'un palier de butée, c'est-à-dire en assurant l1existence entre es deux faces-d'une plus grande épais- seur de film pour une charge donnée.L'effet de palier de butée est obtenu par la-terminaison de chaque rainure séparément des autres, contrairement aux constructions antérieures dans lesquelles les rainures radiales d'une face d'étanchéité se terminaient toutes dans une rainure ou cercle commun concentrique. On-voit donc que l'agencement convenable de rainures perfectionne considérablement le fonctionnement et la sécurité du joint aux faibles pressions d'installation. Les dessins représentent les rainures 54 formées sur la face d'étanchéité 22 de la couronne fixe 20o On peut obtenir des résultats également sa tisfaisants en formant les rainures sur la face 18 de la couronne rotative 164 Si on le désire, on peut former des rainures sur les deux faces dxétanchéité Les mêmes effets peuvent être obtenus dans un agencement de joint dans lequel le parcours de fuite part du diamètre in- terne de la couronne fixe en direction du diamètre externe, ainsi que le montrent les Figures 6, 7 et 8 sur lesquelles les parties identiques sont désignées par les mêmes références qutamc Figures t à 5. Ainsi que le montrent les Figures 7 et 8, l'entrée des rainures 54 ou 54' se situe au diamètre interne de la face d'étanchéité 221 de la couronne fixe 20'. Selon la Figure 6, la région à haute pression 12' est adjacente à l'arbre 14 et la zone à basse pression 48' est adjacente à la paroi il du boîtier 10. Des ressorts de pression 56 sont prévus entre la couronne 20t et l'élément de retenue 24to Les ressorts 56 ont une force suffisante pour neutraliser le poids de la couronne d'étanchéité 20' en cas d'absence de pression -dans la chambre 12'. La portée de 11 invention permettant d'apporter de nom.' creuses modifications à la construction décrite et de réaliser d'autres formes de construction, tous les détails décrits et représentés aux dessins annexés doivent titre considérés comme des exemples sans aucun caractère restrictif. EVSI)I(;ATIONS 1. Ensemble d'étanchéité destiné à limiter ltécoulement de liquide le long dtun arbre rotatif passant dans une ouverture formée dans une paroi séparant des régions de haute et de basse pressions, cet arbre présentant une collerette pourvue d'une face d'étanchéité, une pièce d'étanchéité entourant l'arbre en relation d'étanchéité avec cette paroi et présentant une face d'étanchéité disposée en regard de celle de cette collerette, ces faces d'étanchéité formant entre elles un parcours de communictation de la région à haute pression à la région & basse pression, cette pièce d'étanchéité ayant sa face d'étanchéité exposée à la pression régnant dans c e parcours de communication, et une région en regard de cette face d'étanchéité exposée au liquide sous haute pression, ensemble caractérisé par le fait qu'un certain nombre de rainures sont formées dans l'une au moins des surfaces d'étanchéité, chacune de ces rainures partant de la région de haute pression en direction de la région de basse pres sinon. 2. Ensemble selon revendication 1, caractérisé par le fait que les rainures sont pratiquement également espacées autour de la face d'étanchéité annulaire. 3. Ensemble selon revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les rainures s'étendent en spirale de la région de haute pression en direction de la région de basse pression de la face d'étanchéité. fr. Ensemble selon revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que chaque rainure décroît en profondeur uniformément à partir de la région de haute pression de la face d'étanchéité, et se termine sur cette dernière. 5. Ensemble selon revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que chaoue rainure a une profondeur constante du diamètre extérieur de la face d'étanchéité jusqu'à sa terminaison sur celle-ci.