Brevet FR2304837A1 — publié le 19761015

La présente invention se rapporte d'une façon générale à des bagues d'étanchéité utilisables sur des arbres tournants nour séparer une zone de fluide à haute pression d'une zone de fluide à basse pression. En particulier, l'invention se rapporte à des joints faciaux d'une conception unitaire et qui sont équilibrés en pression afin d'éviter une charge axiale excessive se traduisant par une usure ainsi que par une fuite excessive de fluide. On utilise des joints de ce type sur des arbres tournant à grande vitesse et soumis à de grandes différences de pression, par exemple dans des moteurs à turbines à gaz. Dans l'art antérieur, les dispositifs utilisant des techniques classiques d'équilibrage de pression présentent une très courte durée de service du fait de usure constante se produisant sous des grandes charges axiales, notamment pour des vitesses relativement élevées. Dans les dispositifs de types connus où on essaie d'assurer un équilibrage de pression, les joints ont une forme compliquée et ils comportent de nombreux butoirs, orifices, creux et saillies qui sont disposées sur leur face pour commander la pression fluidique.Même avec des formes aussi complexes, ces dispositifs peuvent se déséquilibrer quand lesdits butoirs sont usés et quand la pression différentielle régnant de part et d'autre du joint s'écarte de la valeur de conception. A cet égard, on peut citer le joint faisant l'objet du brevet des Etats-Unis no 3 743 303. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients à l'aide d'un joint annulaire présentant une section droite régulière et simple et pourvue d'orifices traversant le joint de façon à créer au travers de celui-ci un écoulement contrôlé et calculé servant à équilibrer la pression. Ces orifices sont reliés sur la face d'aval à l'aide d'une rainure annulaire commune qui égalise les pressions autour de la face du joint. En établissant un écoulement contrôlé, la bague s'ajuste automatiquement par elle-itième au débit existant et elle maintient un équilibre de pression presque parfait dans toutes les conditions de marche. Le joint facial selon l'invention est formé par une bague monobloc qui peut flotter librement et axialement dans une plage limitée tout en étant légèrement supportée radialement En établissant un écoulement contrôlé au travers de la bague à l'aide d'orifices de précision, on règle la pression différentielle régnant entre la face d'aval de la bague et son embout adjacent en rénonse à des variations de la pression d'amont. En conséquence, quand l'écoulement passant dans les orifices augmente en réponse à une augmentation de la pression d'amont, la pression dans la rainure annulaire de la face d'aval est réduite. Ce déséquilibre produit un déplacement de la bague en direction de l'embout, ce qui augmente la pression dans la rainure jusqu'à ce qu'elle équilibre la force exercée par l'augmentation de la pression d'amont et qu'elle rétablisse le débit nominal.On voit par conséquent que la bague est maintenue dans une condition d'équilibre de pression dans une large gamme de pressions différentielles variables. L'invention a également pour objet un ensemble d'étanchéité dynamique pour un arbre tournant monté dans un tourillon porteur et servant à séparer une zone de haute pression fluidique d'une zone de basse pression fluidique, ensemble caractérisé en ce qu'il comprend un joint d'étanchéité annulaire et unitaire qui est placé autour de l'arbre coaxialement à celui-ci, ledit joint comportant au moins un orifice s 'étendant axialement au travers de la bague et reliant la zone de haute pression à la zone de basse pression; un élément tournant fixé sur l'arbre, et comportant une surface radiale qui est adjacente et essentiellement parallèle à la face d'aval de la bague d'étanchéité; un moyen de retenue de cette bague d'étanchéité dans une position fixe par rapport à l'arbre et un joint d'étanchéité secondaire pour assurer l'étanchéité de l'espace existant entre la périphérie extérieure de la bague d'étanchéité et la périphérie intérieure du tourillon. Elle a également pour objet un procédé d'équilibrage en pression d'un- élément annulaire d'étanchéité séparant une zone de haute pres- sion fluidique d'une zone de basse pression fluidique entre deux éléments tournant l'un par rapport à l'autre, procédé caractérisé en ce qu'on place une première bague entre lesdits éléments, on place une seconde bague en aval de la première bague, cette seconde bague comportant une face adjacente et essentiellement parallèle à celle de la première bague, on contrôle l'écoulement du fluide entre les bagues par des conduits de précision, et on ajuste la position axiale relative desdites bagues afin de maintenir l'écoulement de fluide entre elles à une valeur essentiellement constante. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. Sur les dessins la figure 1 est une coupe partielle de la bague montée dans un ensemble formé par un arbre tournant et un tourillon; la figure 2 est une coupe de la bague faite suivant la ligne 2-2 de la figure 3; la figure 3 est une vue de face partielle de la bague; la figure 4 est une vue en coupe partielle de la bague et de l'embout; la figure 4a est un graphique donnant la variation de la pression dans la bague dans la condition d'équilibre; la figure 4b est un graphique donnant la variation de pression dans la bague dans la condition de déséquilibre. Sur la figure 1, on a représenté en coupe partielle un arbre moteur 12 monté dans un tourillon fixe 10. Une bague d'étanchéité 14 représentée en coupe partielle est logée dans un espace ménagé entre l'arbre et le tourillon. Le rotor 16 est un disque métallique qui est appliqué contre un épaulement 17 de l'arbre. L'anneau du rotor est maintenu en position à l'aide d'un écrou 18 qui est vissé sur un filetage 20 de l'arbre 12. I1 est prévu dans le tourillon un épaulement 21 dans lequel est logé un joint à livre 22 qui peut être réalisé dans une matière flexible et, notamment, en "TEFLON". Ce joint à levure gui établit une étanchéité secondaire est maintenu en place contre l'épaulement 21 à l'aide d'une bague 24 qui est engagée dans l'alésage du corps. Sur la périphérie extérieure de la bague 14 est ménagée une fente 28 qui s'étend sur une courte partie de son périmètre. Dans le carter 10, il est monté une patte antirotation 26 qui est engagée dans la fente 28 afin d'empêcher une rotation de la bague 14. Sur les figures 2 et 3, on a représenté la bague 14 respectivement en coupe partielle et en vue de face partielle. Plusieurs orifices 30 sont prévus et s'étendent au travers de la bague depuis la face arrière jusqu'à la face avant. Dans un exemple de réalisation, la bague d'étanchéité est pourvue de quatre orifices répartis à 900 sur sa périphérie. Les orifices 30 sont reliés par une rainure 32 qui est réalisée du côté de la face d'aval et qui divise cette face en un anneau intérieur d'usure 36 et un anneau extérieur d'usure 34. La matière utilisée en particulier pour former la bague dans des applications faisant intervenir des vitesses élevées, comme dans des moteurs à turbines à gaz, est constituée par du graphite moulé présentant de bonnes caractéristiques de résistance à l'usure et une bonne tolérance aux températures élevées. Lorsque la bague est montée sur un arbre tournant à grande vitesse, comme par exemple dans des moteurs à turbines à gaz, elle fonctionne de la façon suivante en référence aux figures 4, 4a et 4b, la pression P1 définissant la pression d'amont est établie par un gaz à haute pression qui est comprimé par le compresseur de la turbine à gaz. La basse pression d'aval, désignée par P2, est par exemple une pression ambiante qui est bien inférieure à P1. Lorsqu'on connaît le degré de fuite admissible pour une installation particulière, on détermine la pression différentielle de part et d'autre du joint en cours de marche ainsi que les dimensions de l'arbre et du tourillon, les surfaces des faces de la bague, désignées par 38 pour la surface d'amont et par 40 pour la surface d'aval, en fonction des dimensions d'orifices permettant de produire l'écoulement désiré.Lorsque la fuite dans le joint est minimale, la répartition de pression sur les faces de la bague est conforme à ce qui a été indiqué en 4a. En conséquence, le produit de la pression P1 par la surface projetée de la face d'amont donne une force égale à la pression effective régnant entre la face d'aval 40 et l'embout 16 multipliée par la surface de la face d'aval. Quand la pression d'amont P1 augmente, l'écoulement au travers des orifices 30 augmente également. Cette augmentation d'écoulement produit un déséquilibre de pression comme indiqué sur la figure 4b. L'augmentation d'écoulement réduit la pression sur la surface d'aval 40 et elle fait déplacer la bague en direction de l'embout. Quand la bague se rapproche de l'embout, l'intervalle entre ce dernier et la face d'aval est réduit jusqu'à ce que le débit nominal au travers de la bague soit rétabli.Lorsque ce débit nominal a été rétabli, la distribution de pression devient à nouveau celle qui a été indiquée sur la figure 4a et la bague est équilibrée en pression. On voit par conséquent que, grâce à l'invention, on obtient un élément d'étanchéité dont la position est automatiquement réglée par rapport au rotor de façon à maintenir un équilibre de pression constant dans la bague lors de variations de la pression sur la face d'amont. Cette fonction est remplie avec une bague d'étanchéité d'une construction unitaire simple qui peut être produite économiquement et qui présente une grande fiabilité et une longue durée de service. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, elle est susceptible de nombreuses variations accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées, et sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Bague d'étanchéité destinée à séparer une zone de haute pression fluidique d'une zone de basse pression fluidique, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément annulaire pourvu de plusieurs orifices aptes à établir une communication fluidique entre la zone de haute pression et la zone de basse pression et présentant dans sa face d'aval une rainure annulaire reliant lesdits orifices; un premier anneau d'usure formé sur la face d'aval entre la rainure annulaire et la périphérie extérieure de la bague et un second anneau d'usure concentrique au premier anneau et formé entre la rainure annulaire et la périphérie intérieure de la bague. 2.- Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits orifices sont des orifices qui traversent rectilignement ledit élément et dont les axes d'écoulement sont orientés sensiblement parallèlement entre eux et à l'axe de la bague. 3.- Bague d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits oiifices sont répartis à intervalles égaux sur la périphérie de la bague. 4.- Bague d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle est pourvue de quatre orifices répartis à 900 sur sa périphérie. 5.- Ensemble d'étanchéité dynamique pour un arbre tournant monté dans un tourillon porteur et servant à séparer une zone de haute pression fluidique d'une zone de basse pression fluidique, ensemble caractérisé en ce qu'il comprend un joint d'étanchéité annulaire et unitaire qui est placé autour de l'arbre coaxialement à celui-ci, ledit joint comportant au moins un orifice s'étendant axialement au travers de la bague et reliant la zone de haute pression à la zone de basse pression; un élément tournant fixé sur l'arbre, et comportant une surface radiale qui est adjacente et essentiellement parallèle à la face d'aval de la bague d'étanchéité; un moyen de retenue de cette bague d'étanchéité dans une position fixe par rapport à l'arbre et un joint d'étanchéité secondaire pour assurer l'étanchéité de l'espace existant entre la périphérie extérieure de la bague d'étanchéité et la périphérie intérieure du tourillon. 6.- Ensemble d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bague comporte plusieurs orifices répartis à intervalles égaux sur sa périphérie et en ce qu'elle est fixée sur le tourillon par un moyen permettant un mouvement axial limité de la bague par rapport audit élément tournant. 7.- Ensemble d'étanchéité selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est prévu sur la face d'aval de la bague d'étan- chéité une rainure annulaire de liaison entre lesdits orifices. 8.- Ensemble d'étanchéité selon la revendication 7, caractérisé en ce que le joint secondaire est un joint à lèvre. 9.- Ensemble d'étanchéité dynamique pour assurer l'étanchéité de l'espace existant entre deux éléments coaxiaux pouvant tourner relativement autour d'un axe et comportant une zone de haute pression fluidique d'un côté du joint et une zone de basse pression fluidique de l'autre coté du joint, ledit ensemble étant caractérisé en ce qu'il comprend une première bague unitaire qui est montée entre lesdits éléments de manière à remplir essentiellement l'intervalle les séparant et à entourer l'élément intérieur, ladite bague comportant au moins un conduit s'étendant axialement et reliant ladite zone de haute pression fluidique à ladite zone de basse pression fluidique; un moyen pour fixer la première bague sur un des éléments afin d'empêcher leur rotation relative tout en permettant un mouvement axial limité, et une seconde bague fixée sur l'autre élément en aval de la première bague et dont la face d'amont est orientée essentiellement parallèlement à une face d'aval adjacente de la première bague, cette seconde bague remplissant essentiellement l'intervalle existant entre les éléments. 10.- Ensemble d'étanchéité dynamique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les conduits s'étendant axialement dans la première bague comprennent plusieurs orifices répartis à intervalles essentiellement égaux autour de la première bague et parallèlement à l'axe de rotation relative desdits éléments. ll.- Ensemble d'étanchéité dynamique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une des bagues est pourvue d'une rainure annulaire sur sa face adjacente à l'autre bague, ladite rainure étant positionnée de manière à relier l'extrémité d'aval desdits orifices. 12.- Ensemble d'étanchéité dynamique selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite rainure annulaire est formée dans la face d'aval de la première bague. 13.- Ensemble d'etanchêité dynamique selon la revendication 12, caractérisé en ce que la première bague est formée d'une matière autolubrifiante présentant une texture bien plus tendre que la seconde bague. 14.- Ensemble d'étanchéité dynamique selon la revendication 13, caractérisé en ce que la matière autolubrifiante formant la première bague est constituée par du graphite. 15.- Procédé d'équilibrage en pression d'un élément annulaire d'étanchéité séparant une zone de haute pression fluidique d'une zone de basse pression fluidique entre deux éléments tournant l'un par rapport à l'autre, procédé caractérisé en ce qu'on place une première bague entre lesdits éléments, on place une seconde bague en aval de la première bague, cette seconde bague comportant une face adjacente et essentiellement parallèle à celle de la première bague, on contrôle l'écoulement du fluide entre les bagues par des conduits de précision, et on ajuste la position axiale relative desdites bagues afin de maintenir l'écoulement de fluide entre elles à une valeur essentiellement constante.