Brevet FR2308032A1 — publié le 19761112

La présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité hydrodynamique axial à anneau de glissement pour pompe à eau chaude à haute pression, notamment pour centrales atomiques. On connait des dispositifs d'étanchéité à anneau de glissement pour haute pression qui se composent de plusieurs joints d' étanchéité à anneau de glissement reliés entre eux par des détendeurs capillaires et qui ont pour rôle de mesurer les pressions. De tels dispositifs présentent une série d'inconvénients qui sont provoqués aussi bien par la répartition de la pression entre les différents étages que par la construction propre des différents étages du système combiné de joints d'étanchéité à anneau de glissement. Pour pouvoir intercaler des détendeurs capillaires entre les différents étages du système combiné de joints d'étanchéité à anneau de glissement, il est nécessaire, soit d'introduire un complexe de circuits de liquide sous pression, soit de monter des refroidisseurs intermédiaires devant et derrière le capillaire, ce qui diminue la sécurité de fonctionnement du dispositif d' étanchéité à anneau de glissement.Les capillaires à diamètre constant laissent passer un débit de liquide constant quel que soit le régime de travail du dispositif d'étanchéité à anneau de glissement, de sorte que, lorsqu'il se produit un incident de fonctionnement au premier étage du système d'étanchéité, il n'est pas possible d'améliorer les conditions de fonctionnement aux deux autres étages. Les anneaux d'étanchéité non métalliques de la paire de frottement sont fixés de façon rigide, dans des montures en métal massif par pressage et collage, ce qui est la cause d'opérations technologiques supplémentaires, telles que le façonnage mécanique des anneaux après leur mise en place par collage et pressage, et soulève toute une série de problèmes dûs à la dégradation de l'effet exercé sur les anneaux non métalliques de la paire de frottement par les déformations de la monture en métal dues aux contraintes et à la chaleur.La durée de vie de la paire de frottement faite en matériaux de dureté différente est déterminée par la durabilité du matériau ayant la dureté la plus faible, qui diminue rapidement au fur et à mesure qu'augmente la pression à laquelle doit s'opposer le dispositif d'étanchéité. En intercalant des refroidisseurs intermédiaires devant et derrière les capillaires, on augmente le nombre d'éléments montés en série dont les coefficients de fiabilité sont différents, de sorte que la fiabilité résultante est un multiple des coefficients de fiabi lité des éléments individuels et a toujours une valeur inférieure au coefficient de fiabilité le plus faible des éléments individuels. En outre, ces dispositifs connus qui possèdent des refroidisseurs intermédiaires devant ou derrière le capillaire sont très encombrants, ce qui représente un autre inconvénient. L'invention a donc pour but de réaliser un mode de construction du dispositif d'étanchéité à anneau de glissement qui fasse disparaitre les inconvénients et les défauts des dispositifs de ce genre connus, tout en améliorant la sûreté de fonctionnement du dispositif et en augmentant la durée de vie des éléments d'étanchéité. Ce résultat est obtenu par l'invention avec un système d' étanchéité hydrodynamique axial à anneau de glissement constitué d'au moins deux étages d'étanchéité axiaux reliés entreeux par des détendeurs à capillaire, grace au fait que les capillaires intercalés dans les boucles de canalisations tubulaires. sont munis de ondaire chemises de refroidissement/qui comportent une conduite d'arrivée d'eau de refroidissement ainsi qu'une conduite d'évacuation d'eau de refroidissement secondaire, et grace au fait qu'il est prévu un palpeur de température intercalé dans la boucle de conduite tubulaire en avant des capillaires et adapté à actionner la vanne régulatrice montée dans la conduite d'arrivéè d'eau de refroidissement secondaire. Selon un autre point remarquable de l'invention, le manchon métallique fixe et le manchon métallique rotatif de l'étage d' étanchéité sont munis, sur leurs surfaces de travail intérieures, de portée4 annulaires dans lesquelles se trouvent des rainures semi-circulaires, et l'anneau d'étanchéité non métallique rotatif ainsi que l'anneau d'étanchéité non métallique fixe sont munis des deux côtés de portées annulaires, la portée annulaire intérieure de l'un des deux anneaux d'étanchéité étant munie d'évidements en forme de segments. Selon un développement particulièrement avantageux de 1 'in- vention, les extrémités ouvertes des rainures semi-circulaires, qui sont prévues sur la périphérie intérieure des portées annulaires du manchon fixe et du manchon rotatif, débouchent dans 1' espace de pression d'étanchéité la plus basse. Un autre point remarquable de l'invention consiste en ce que les évidements en forme de segment, formés dans la périphérie extérieure des portées annulaires de l'un des deux anneaux d'étan chéité, débouchent dans l'espace de pression d'étanchéité la plus élevée. Selon un mode de réalisation particulièrement favorable de l'invention, les anneaux d'étanchéité non métalliques sont faits en matériau de même dureté. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, dans lequel la figure 1 représente schématiquement en coupe axiale le dispositif d'étanchéité hydrodynamique axial à anneau de glissement constitué de trois étages d'étanchéité ; la figure 2 représente en coupe axiale un détail du capillaire la figure 3 représente l'étage d'étanchéité à glissement en coupe axiale la figure 4 est une coupe partielle du manchon rotatif la figure 5 est une vue partielle dans le sens de la flèche P de la figure 4 de la partie de travail du manchon la figure 6 est une vue en coupe partielle de l'anneau non métallique la figure 7 est une vue partielle dans le sens de la flèche S de la partie de travail de l'anneau non métallique représenté à la figure 6. Le dispositif d'étanchéité hydrodynamique axial à anneau de glissement selon l'invention se compose de trois étages I, II, III de joints d'étanchéité pour hautes pressions connus en soi, dont chacun est constitué d'un corps 1 d'étanchéité, d'un manchon à bride fixe et d'un manchon à bride rotatif 3, claveté sur l'arbre 4, des anneaux à collet 21, 31 étant disposés sur la périphérie des brides des manchons 2 et 3. Dans l'anneau à collet 21 du manchon fixe 2 est disposé un anneau d'étanchéité fixe 5, non métallique, par exemple un anneau en carbone, tandis que, par contre, dans l'anneau à collet 31 du manchon rotatif 3 est monté un anneau d'étanchéité non métallique rotatif 6. Entre le corps de l'étage d'étanchéité 1 et le manchon à bride fixe 2, sont disposés des ressorts de pression 7. L'étage I du système d'étanchéité hydrodynamique axial à anneau de glissement est muni d'une arrivée 8 d'eau de refroidissement sous pression, et le dernier étage III de système d'étanchéité est muni d'une conduite d'évacuation 9. Les côtés de refoulement des différents étages I, II, III du dispositif d'étanchéité hydrodynamique axial à anneau de glissement sont reliés entre eux par des circuits tubulaires 10, 10' et, dans chacun de ces circuits tubulaires 10, 10', sont disposés des capillaires 11, ll', montés en série, qui sont prévus dans la chemise de refroidissement 12, 12'. Les capillaires 11, 11' sont montés dans les circuits tubulaires 10, 10' à l'aide de pièces façonnées 13, 13' jouant le rôle de détendeurs.Dans le circuit tubulaire 10, iO' est monté, en avant du raccordement avec le capillaire 11, 11', un palpeur de température 14, 14'. Â la chemise de refroidissement 12, 12' sont raccordées, à la fois, la conduite secondaire 15, 15' d'eau de refroidissement , dans laquelle se trouve une vanne de régulation 17, 17' actionnée par les signaux du palpeur de température 14, 14', et une conduite d'évacuation secondaire 16, 16'. Le tracé proprement dit da capillaire 11, 11' est déterminé par sa longueur et ce capillaire est généralement en forme de serpentin dans lequel la circulation s'effectue de bas en haut. Le liquide de refroidissement: amena refl 1 conduite d'arrivée 8 au premier étage du dispositif d'étai kéité hydrodynamique axial à anneau de glissement absorbe la chaleur de ce premier étage et arrive ensuite au deuxième étage par la boucle de canalisation tubulaire 10 dans laquelle est monté le capillaire 11. Dans ce capillaire 11, la pression est ramenée à la valeur nécessaire pour pénétrer dans l'étage II du système d'étanchéité et, en même temps, l'eau de refroidissement qui le traverse est refroidie et ramenée a' la température réglée par le palpeur de température 14. L'eau de refroidissement arrive dans le 2è étage du dispositif d'étanchéité à une tenApérature et sous une pression appropriées. Après être sortie du deuxième étage du dispositif d'étanchéité hydrodynamique axial à anneau de glissement, l'eau de refroidis servent, qui a absorbé la chaleur de ce deuxième étage, traverse la boucle de canalisation 10'. En passant par le capillaire 11', l'eau de refroidissement subit un nouveau processus de diminution de température et de pression identique à celui qu'elle a subi dans le capillaire 11 de la boucle de canalisation 10 et l'eau de refroidissement pénètre dans le troisième étage du dispositif d' étanchéité sous la pression minimale nécessaire et avec la température correspondante. En sortant de ce dernier et troisième étage, l'eau de refroidissement est ramenée dans le circuit par la conduite d'évacuation 9. L'étage proprement dit du dispositif d'étanchéité axial hydrodynamique à anneau de glissement est constitué par un corps d'étanchéité 1 monté dans le moyeu 18 et maintenu calé contre la poussée axiale par le couvercle 19, dans lequel est monté le manchon à bride 2 métallique fixe muni sur la périphérie de la bride d'un anneau à collet 21, un anneau d'étanchéité 5 non métallique fixe, avantageusement en carbone, étant monté dans l'anneau à collet. Sur l'extrémité décalée de l'arbre 4 est claveté un manchon à bride 3' métallique rotatif qui est muni sur la périphérie de sa bride d'un anneau à collet 31 dans lequel est monté l'anneau d'étanchéité 6 non métallique, rotatif, de préférence en carbone. Le corps d'étanchéité 1 est muni sur sa face frontale de trous 20 dans lesquels sont montés des ressorts à boudin 7 qui maintiennent la partie fixe du joint d'étanchéité, formée par un manchon à bride fixe 3 et un anneau d'étanchéité fixe 5, appliquée contre la partie mobile formée par le manchon à bride rotatif 3 et 1' anneau d'étanchéité rotatif 6. Pour empêcher les anneaux d'étanchéité en carbone 5, 6, de se déformer en raison de variations de pression sur le côté soumis à la pression la plus élevée, sont conformées, sur les surfaces de travail intérieures 22, 12 du manchon à bride fixe 2 et du manchon à bride rotatif 3, des surfaces d'appui annulaires 23, 33, dans lesquelles sont ménagées des rainures semi-circulaires 24,34 dont les extrémités ouvertes débouchent dans l'espace du dispositif d'étanchéité sous la pression la plus faible.De cette façon, en donnant une largeur suffisante à la surface d'appui 23, 33, on restreint la zone d'action de la pression la plus élevée, ce qui réalise une compensation des moments de forces de pression et empêche ainsi les déformations des anneaux d'étanchéité 5,6, qui diminueraient notablement la durée de vie de ces anneaux. L'anneau d'étanchéité en carbone fixe 5 et,l'anneau/denétthotietgotatif 6 sont munis de surfaces d' appui annulaires symétriques 51, 52, 61, 62, et, en vue de lt effet thermohydrodynamique sur les surfaces de frottement, la surface d'appui annulaire intérieure 52, 62 de l'un des deux anneaux d'étanchéité 5, 6 est munie d'évidements en forme de segments 53, 63, s'ouvrant en direction de l'espace sous haute pression. Par suite du mouvement de glissement réciproque des surfaces d'étanchéité 52, 62, il se forme, derrière l'évidement en forme de segments 53, 63, un coin de liquide qui améliore le refroidissement, diminue le frottement des deux anneaux d'étanchéité 5,6 et, par conséquent, prolonge leur durée de vie. Pour permettre la transmission des couples de rotation, les anneaux d'étanchéité 5,6, sont munis sur leur périphérie de coins degressage 54, 64, dans lesquels s'engage la languette correspondante de l'anneau à collet 21, 31. Grâce à la forme donnée selon l'invention aux surfaces d' appui du manchon fixe et du manchon rotatif, ainsi qu'à la forme prévue pour les anneaux d'étanchéité, on peut obtenir les déformations dues aux efforts et à la chaleur des éléments fonctionnels du dispositif d'étanchéité à glissement, ce qui en augmente notablement la durée de vie. REVENDICLTIONS 1. Dispositif d'étanchéité axial hydrodynamique à anneau de glissement, qui se compose d'au moins deux étages d'étanchéité axiaux reliés l'un à l'autre par des capillaires jouant le rôle de détendeurs, caractérisé en ce que les capillaires intercalés dans les boucles de canalisation tubulaires sont munis de chemises de refroidissement qui comportent une conduite d'arrivée secondaire d'eau de refroidissement ainsi qu'une conduite d'évacuation secondaire d'eau de refroidissement. 2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en avant des capillaires, est intercalé dans la boucle de canalisations tubulaires un palpeur de température destiné à actionner la vanne régulatrice montée dans la conduite d'arrivée secondaire d'eau de refroidissement. 3. Etage d'étanchéité d'un dispositif d'étanchéité axial hydrodynamique à anneau de glissement selon la revendication 1 ou 2, constitué d'un manchon fixe avec anneau d'étanchéité non métal lioue fixe et d'un manchon rotatif avec anneau d'étanchéité non métallique rotatif, caractérisé en ce que le manchon fixe en métal, ainsi que le manchon rotatif en métal, sont munis sur les surfaces de travail intérieures de surfacesde siège annulaires dans lesquelles sont ménagées des rainures semi-circulaires, et en ce que l'anneau d'étanchéité non métallique rotatif ainsi que 1' anneau d'étanchéité non métallique fixe sont munis des deux côtés de surfaces de siège annulaires, la surface de siège annulaire intérieure de l'un des deux anneaux d'étanchéité étant munie d' évidements en forme de segments. 4. Etage d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que les extrémités ouvertes des rainures se-mi-circulaires qui se trouvent sur la périphérie intérieure des surfaces de siège annulaires du manchon fixe ainsi que du manchon rotatif débouchent dans l'espace de pression d'étanchéité la plus basse. 5. Etage d'étanchéité selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les évidements en forme de segments qui sont formés dans la périphérie extérieure des surfaces de siège annulaires de l'un des deux anneaux d'étanchéité débouchent dans l'espace de pression d'étanchéité la plus élevée. 6. Etage d'étanchéité selon une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les deux anneaux d'étanchéité non métalliques sont faits en matériau de même dureté.