Brevet FR2337838A1 — publié le 19770805

La présente invention concerne d'une manière générale les dispositifs d'étanchéité propres à etre interposés à l'interface de deux éléments montés coaxialement rotatifs l'un par rapport à l'autre, par exemple d'éléments constitutifs d'une quelconque machine tournante, engin de forage notamment, pour isoler de manière étanche le volume interne à ces éléments du volume externe qui les environne, notamment lorsqu'il s'agit, comme c'est le cas pour un engin de forage, d'éviter toute pollution dudit volume interne par le fluide régnant dans ledit volume externe elle vise plus particulièrement le cas où ces dispositifs d'étanchéité sont du type communément dit à joints à glace, c' est-à- dire du type comportant deux couronnes d'étanchéité annulaires établies circulairement dans l'interface concerné, autour de 1' axe de l'ensemble, lesdites couronnes d'étanchéité présentant, en regard l'une de l'autre, des faces dlétanchéité globalement perpendiculaires audit axe, et portant l'une contre l'autre par lesdites faces sous la sollicitation de moyens d'appui à action axiale. Les faces ainsi en contact des couronnes d'étanchéité d'un tel dispositif, qui sont en général en acier très dur convenablement traité et trempé, sont soigneusement glacées, c' est-à- dire polies, par exemple par rodage mutuel l'une contre l'autre, et de ce fait forment conjointement, compte tenu de la pression d'application à laquelle elles sont soumises, un joint d'étanchéité propre a s' opposer, avec une grande sûreté, à tout passage de liquide. A ce jour, les moyens d'appui associés à de telles couronnes sont essentiellement mécaniques. Par exemple ces couronnes sont soumises extérieurement à des boudins élastiquement déformables en appui contre des portées coniques fixes aptes à les maintenir de manière permanente à 1' état comprimé, et donc à l'état pour lequel ils sollicitent les couronnes d'étanchéité au contact l'une de l'autre par leurs faces d'étanchéité. Mais l'efficacité du dispositif d'étanchéité ainsi constitué repose, pour une grande part, sur l'intégrité des boudins élastiques en question et sur leur capacité à effectivement maintenir au contact l'une de l'autre les couronnes d'étanchéité sur lesquelles ils agissent, en tout point de la zone circonférentielle de contact de celle-ci, quelle que soit l'usure à laquel le est soumise en service cette zone circonférentielle, et quelle que soit la différence de pression se développant en service entre la pression dans le volume confiné par lesdites couronnes d'étanchéité et la pression à l'extérieur de ce volume. Pour réporidre à ces exigences il a donc été proposé de donner aux faces en contact des couronnes d'étanchéité une configuration convexe, qui doit être définie de manière rigoureuse et exécutée de façon soignée. I1 en résulte une complexité non négligeable dans la fabrication et le montage de ces couronnes d'étanchéité et des autres organes qui leur sont associés. Des inconvénients du même ordre subsistent lorsque les moyens d'appui associés aux couronnes d'étanchéité sont en tout ou partie constitués de ressorts. La présente invention a d'une manière générale pour objet un dispositif d'étanchéité à joints à glace exempt de ces inconvénients et présentant en outre d'autres avantages. De manière plus précise, et selon un premier aspect, la présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité qui est donc du genre comportant deux couronnes d'étanchéité annulaires établies circulairement dans l'interface des deux éléments rotatifs concernés, autour de l'axe de l'ensemble, et associées chacune respectivement auxdits éléments, lesdites couronnes d'étanchéité présentant en regard l'une de l'autre des faces d'étanchéité globalement perpendiculaires audit axe et portant l'une contre l'autre par lesdites faces sous la sollicitation de moyens d'appui à action axiale, et qui est d'une manière générale caractérisé en ce que lesdits moyens d'appui sont exclusivement fluidiques, par exemple hydrauliques ou pneumatiques, l'une au moins desdites couronnes d'étanchéité étant en relation de cylindre-piston avec l'élément rotatif auquel elle est associée et constituant ainsi avec ce dernier une chambre de pression étanche reliée à une source de fluide sous pression. Par relation de cylindre piston on entend ici une disposition suivant laquelle les parois latérales de la partie formant cylindre pour une partie formant piston sont solidaires en rotation l'une avec l'autre et, avec la paroi de fond associée, appartiennent à un même élément. I1 en résulte notamment de la disposition suivant l'invention que, par l'effet de palonnage inhérent à l'égalité des pres sion en tout point d'une même chambre de pression, la force suivant laquelle la couronne d'étanchéité soumise aux effets d'une telle chambre de pression s'applique à la couronne d'étanchéité associée, se répartit avantageusement de manière égale en tout point de la zone circonférentielle de contact de ces couronnes d'étanchéité, ce qui est garant d'une part. d'une sécurité avantageusement accrue, à l'abri de toute défaillance locale du type de celle pouvant intervenir dans un quelconque boudin élastiquement déformable équivalent ou dans un quelconque ensemble équivalent de ressorts répartis circonférentiellement, et d'autre part, dans le cars du développement d'une usure en service dans cette zone circonférentielle de contact, d'une répartition avantageusement uniforme de cette usure tout au long de celle-ci. De plus, les couronnes d'étanchéité étant libres de tout moyen d'appui mécanique, il est avantageusement aisé d'en monter au moins une à rotule, par exemple en engageant cette couronne dans une gorge de l'élément rotatif auquel elle est associée et en conférant aux méridiens externe et interne de sa section transversale une configuration courbe à concavité tournées l'une vers 1' autre. I1 en résulte que cette couronne d'étanchéité est ainsi susceptible de s'appliquer au mieux à l'autre, quelles que soient les éventuelles irrégularités de fabrication et/ou de montage, et donc qu'il est avantageusement possible de conférer aux faces d'étanchéité par lesquelles ces couronnes d'étanchéité sont au contact une configuration plane, plus simple à réaliser et à contrôler qu'une quelconque configuration courbe. Cette disposition présentant ainsi par elle-même un intérêt particulier, indépendamment des moyens d'appui à action axiale mis en oeuvre, la présente invention a encore pour objet, selon un deuxième aspect, un dispositif d'étanchéité à joints à glace pour interface d'éléments montés coaxialement rotatifs I' un par rapport à l'autre, du genre comportant deux couronnes d' étanchéité annulaires établies circulairement dans ledit interface autour de l'axe de l'ensemble et associées chacune respectivement auxdits éléments, lesdites couronnes d'étanchéité présentant en regard l'une de l'autre des faces d'étanchéité globalement perpendiculaires audit axe et portant l'une contre l'autre par lesdites faces sous la sollicitation de moyens d'appui à action axiale, un tel dispositif d'étanchéité caractérisé en ce que l'une au moins des couronnes d'étanchéité est engagée à étanchéité dans une gorge formée annulairement dans l'élément auquel elle est associée et est montée à rotule dans cette gorge. Enfin, s' agissant de l'équipement d'éléments rotatifs à commande hydraulique, il est avantageusement possible suivant l'invention de tirer parti, de manière simple et économique, de la source de fluide sous pression inhérente à toute commande de ce type, et, éventuellement, de dispositions du type de celles usuellement associées à une telle source, par exemple de la disposition suivant laquelle un équilibrage de pressions est systématiquement établi entre le volume confiné par les couronnes d'étanchéité et le volume extérieur à celle-ci, quelle que soit l'évolution de la pression régnant dans ce dernier. I1 en résulte avantageusement dans ce cas la possibilité d' une adaptation permanente et automatique à une telle évolution de l'effort suivant lequel les couronnes d'étanchéité sont en contact l'une de l'autre, ou la possibilité d'échapper à la nécessité d'une telle adaptation lorsqu'un équilibrage de pressions est effectivement assuré. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un bloc diagramme d'éléments rotatifs équipés d'un dispositif d'étanchéité suivant l'invention, représentés au moins pour partie en coupe axiale la figure 2 reprend à plus grande échelle un détail de la figure 1, suivant l'encart II de cette figure 1 la figure 3 reprend à une échelle encore plus grande, et pour partie en élévation, un détail de la figure 2, suivant l'encart III de cette figure 2 la figure 4 est une vue partielle en élévation d'une couronne d'étanchéité du dispositif d'étanchéité suivant l'invention, suivant la ligne IV-IV de la figure 2 la figure 5 est une vue partielle en coupe transversale d' une telle couronne d'étanchéité, suivant la ligne V-V de la figure 4. Ces figures illustrent d'une manière générale l'application de l'invention à l'équipement en dispositif d'étanchéité de l'interface 10 existant entre deux éléments là,113 montéscoaxiale- ment rotatifs l'un par rapport à l'autre. Ces éléments llA,llB peuvent appartenir à une quelconque machine tournante, et par exemple à un engin de forage dans lequel l'élément llÂ constitue un élément fixe en rotation et contient une quelconque commande, hydraulique ou autre, apte à en trasner en rotation un arbre 12, tandis que l'élément 113, calé sur ledit arbre, constitue un élément rotatif porteur extérieurement d'un outil de forage. Mais il va de soi que l'invention n'est pas limitée à une telle application, et que les éléments llA et 11B peuvent par exemple être l'un et l'autre rotatifs et entraînées à des vitesses différentes et/ou suivant des sens de rotation opposés. Quoi qu'il en soit les éléments lita, 113 ne faisant pas partie par eux-mêmes de l'invention ils ne seront pas décrits plusen détail ici. te dispositif d' étanchéité 13 mis en place suivant l'invention dans l'interface 10 entre ces éléments rotatifs est de manière connue en soi du type à joints à glace, c'est-à-dire qu'il comporte deux couronnes d'étanchéité annulaires 14A,14B établies circulairement dans ledit interface, autour de l'axe de l'ensemble, et associées chacune respectivement aux éléments lita, llB, lesdites couronnes d'étanchéité présentant en regard 1'une de 1' autre des faces d'étanchéité 15A, 15B globalement perpendiculaires audit axe et portant l'une contre l'autre par lesdites faces 15A 15B sous la sollicitation de moyens d'appui à action-axiale. Suivant l'invention lesdits moyens d'appui sont hydrauliques la couronne 14A, dans l'exemple représenté, étant en relation de cylindre-piston avec l'élément llA aucuel elle est associée, et constituant avec ce dernier une chambre de pression 16 reliée à une source de fluide sous pression 17 par successivement une canalisation 18 interne à l'élément llA et une tubulure 19 externe vis-à-vis de celui-ci. Dans l'exemple représenté la couronne d'étanchéité 14A, dite ci-après par commodité couronne d'étanchéité active, est engagée à étanchéité dans une gorge 20A formée annulairement dans l'élé- ment llA et forme avec le fond 21 de celle-ci la chambre de pression 16 qui lui est associée. L'étanchéité de l'engagement de la couronne d'étanchéité active 14A dans la gorge 20A résulte de ce que, entre cette couronne d'étanchéité et les flancs latéraux 22,22' de ladite gorge, sont prévus des joints d'étanchéité 23, 23' qui, dans l'exemple représenté, sont logés dans des gorges 24,24' ménagées respectivement à la périphérie externe et à la périphérie interne de la couronne d'étanchéité 14A, dans les zones équatoriales, c'est-àdire médianes, desdites périphéries. Dans l'exemple représenté la gorge 24,24' dans laquelle est ainsi logé un tel joint d'étanchéité est ménagée entre deux portées globalement cylindriques de la couronne d'étanchéité active 14A correspondante ; seules sont matérialisées à la figure 3 les portées cylindriques 25 ainsi associées à la gorge 24 visible sur cette figure. Abstraction faite des portées cylindriques associées aux gorges 24,24', les méridiens externe 26 et interne 26' de la section transversale de la couronne d'étanchéité active 14A sont l'un et l'autre courbes dans l'exemple représenté, les concavités desdits méridiens étant tournées l'une vers l'autre. I1 en résulte un montage à rotule de la couronne d' étanchéi- té active 14A dans la gorge 20A dans laquelle elle est engagée les flancs 22,22' de cette gorge 20A sont par ailleurs cylindriques dans l'exemple représenté, mais il va de soi qu'en addition à la concavité des méridiens de la couronne d'étanchéité active 14A, et/ou en substitution à celle-ci, ils pourraient eux aussi présenter une concavité concourant au montage à rotule de cette couronne d'étanchéité ou assurant celui-ci. Quoi qu'il en soit, du fait de ce montage à rotule, la couronne d'étanchéité active 14A est en mesure de s'appliquer convenablement contre la couronne d'étanchéité 143 associée, dite ci-après par contraste couronne d'étanchéité passive, en sorte que les faces d'étanchéité en contact 15A,15B de ces couronnes peuvent très simplement être des faces planes, même si celles-ci, par fabrication ou par montage, ne sont pas rigoureusement perpendiculaires aux axes desdites couronnes. Dans l'exemple représenté, la face d'étanchéité 15A de la couronne d'étanchéité active présente en creux des saignées de lubrification borgnes 30 s'étendant radialement à compter de la périphérie interne de cette face, sur une partie de la distance séparant celle-ci de la périphérie externe opposée, ainsi qu'il est mieux visible sur les figures 4 et 5 ; de préférence de telles saignées 30 sont régulièrement réparties circulairerent. Tel qu'illustré par ailleurs sur les figures 1 et 2, la couronne d'étanchéité active 14A est calée en rotation sur l'élé- ment llA auquel elle est associée, un pion 31 axialement en saillie sur le fond 21 de la gorge 20A étant engagé avec jeu dans un logement 32 prévu à cet effet sur la face transversale correspondante de cette couronne d'étanchéité. La couronne d'étanchéité dite passive 143 pourrait avoir une configuration analogue à celle de la couronne d'étanchéité active 14A décrite ci-dessus. Cependant, dans l'exemple représenté, il s'agit d'une couron- ne à méridiens interne et externe parallèles à l'axe, engagée à étanchéité dans une gorge 20B formée annulairement dans l'élément 113 et contre le fond de laquelle elle est normalement en butée. Dans la zone médiane de chacune des périphéries externe et interne de cette couronne d'étanchéité passive 14B, entre une telle périphérie et le flanc correspondant de la gorge 2CB, est prévu un joint d'étanchéité, 33 pour la périphérie externe de la dite couronne, 33' pour la périphérie interne de celle-ci ; s' agissant de l'étanchéité entre le volume interne aux éléments lIA,113, tel que confiné par les couronnes d'étanchéité 14A,143 et le volume externe à ces éléments, un seul joint d'étanchéité 33,33' pourrait d'ailleurs en pratique suffire. Dans l'exemple représenté, la source de fluide sous pression 17 destinée à alimentér la chambre de pression comporte un cylindre d'alimentation 35 partagé en deux chambres 35A,35B par un piston 37 monté mobile à étanchéité ; la première chambre 35A est en liaison avec la tubulure 19 et dans la deuxième chambre 35B le piston mobile 37 est soumis à des moyens élastiques qui le sollicitent en permanence en direction de ladite première chambre 35A, un ressort 38 par exemple. Par un Jeu de vannes 39 et 40, la chambre 35A du cylindre d'alimentation peut être alimentée en fluide sous pression par une source 41, un accumulateur par exemple, sous le contrôle d' un manomètre 42, et les vannes 39 et 40 étant fermées, le volume de fluide sous pression ainsi introduit dans la chambre 35A dudit cylindre d'alimentation 35, dans la tubulure 19, dans la canalisation 18 et dans la chambre de pression 16, associées à celui-ci, y demeure confiné et agit en conséquence, sur la couronne d'étanchéité active 14A, pour appui forcé de celle-ci contre la couronne d'étanchéité passive 143 associée, le piston 37 maintenant en toute hypothèse ce volume de fluide sous pression du fait du ressort 38 auquel il est sounis. Par la vanne 39 et une vanne 44 associée à celle-ci, il est possible d'assurer la purge du cylindre d'alimentation 35 Si nécessaire. La chambre 35B de ce cylindre d'alimentation 35 peut être à l'air libre, et donc à la pression atmosphérique, tel que suggéré par une flèche en traits interrompus 45, à la figure 1 ; en variante elle peut être en liaison avec un volume de pression dans lequel règne une pression égale à celle régnant dans les éléments llA, llB, à l'intérieur des couronnes d'étanchéité 14h, 14B, ou liée à cette pression ; en variante également, elle peut être en liaison avec un volume de pression dans lequel règne une pression égale à celle régnant à l'extérieur des éléments lita, 11B, au voisinage de ceux-ci, ou liée à cette pression, notamment dans le cas où ces éléments sont destinés à être immergés. Quoi qu'il en soit, et notamment dans ce dernier cas, il peut être prévu de maintenir de manière connue en soi une pression différentielle déterminée entre les pressions régnant respectivement à l'intérieur et à l'extérieur des éléments llA, 11B en reliant le volume interne à ceux-ci à un cylindre 47 fermé par un piston 48 sur lequel agit, d'une part la pression externe à ces éléments, et d'autre part un ressort 49, tel que suggéré en traits interrompus sur la figure 1 ; dans ce cas la pression différentielle entre les pressions interne et externe aux éléments llh, 11B est celle due au ressort 49 et celui-ci peut être taré en conséquence. Une disposition analogue peut être adoptée pour la source de fluide 17. Mais, dans le cas où la commande de l'élément 11B est hydraulique, cette source de fluide peut également être constituée par celle associée à une telle commande, ou liée à celle-ci. Bien entendu la présente invention ne se limite d'ailleurs pas à la forme de réalisation décrite et représentée mais englobe toute variante d'exécution, et ainsi qu'il est usuel les couronnes d'étanchéité 14A, 14B mises en oeuvre peuvent etre réalisées en acier dur convenablement traité et trempé. RhVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité à Joints à glace pour interface d'éléments montés coaxialement rotatifs l'un par rapport à l'autre, du genre comportant deux couronnes d'étanchéité annulaires établies circulairement dans ledit interface autour de l'axe de l'ensemble et associées chacune respectivement auxdits éléments, lesdites couronnes d'étanchéité présentant en regard l'une de 1' autre des faces d'étanchéité globalement perpendiculaires audit axe et portant l'une contre l'autre par lesdites faces sous la sollicitation de moyens d'appui à action axiale, un tel dispositif d'étanchéité caractérisé en ce que lesdites moyens d'appui sont exclusivement fluidiques, par exemple hydrauliques, l'une au moins desdites couronnes d'étanchéité, dite ci-après couronne d'étanchéité active, étant en relation de cylindre-piston avec l'élément rotatif auquel elle est associée et constituant ainsi avec ce dernier une chambre de pression étanche reliée à une source de fluide sous pression. 2. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne d'étanchéité active est engagée à étanchéité dans une gorge formée annulairement dans l'élément rotatif auquel elle est associée et forme avec le fond de celleci la chambre de pression. 3. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 2, caractérisé en ce que, dans la zone médiane de la couronne d'étanchéité active, entre celle-ci et les flancs latéraux de la gorge dans laquelle elle est engagée, sont prévus des Joints d'étanchéité. 4. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits Joints d'étanchéité sont logés dans des gorges ménagées à la périphérie interne et à la périphérie externe de la couronne d'étanchéité active, dans les zones équatoriales de cellee-ci. 5. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la gorge d'un joint d'étanchéité est ménagée entre deux portées globalement cylindriques de la couronne drétan- chéité active. 6. Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couronne d'étanchéité associée à la couronne d'étanchéité active, dite ci-après couronne d'étanchéité passive, est engagée à étanchéité dans une gorge formée annulairement dans l'élément rotatif auquel elle est associée et est normalement en butée contre le fond de celle-ci. 7. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 6, caractérisé en ce que, dans la zone médiane de l'une au moins des périphéries externe et interne de la couronne d'étanchéité passive, entre celle-ci et le flanc correspondant de la gorge dans laquelle est engagée ladite couronne d'étanchéité passive, est prévu un Joint d'étanchéité. 8. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 7 caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité est disposé dans une gorge ménagée à la périphérie correspondante de la couronne d' étanchéité passive. 9. Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la source de fluide sous pression comporte un cylindre d'alimentation partagé en deux chambres par un piston mobile, à savoir une première chambre qui est reliée à la chambre de pression, et une deuxième chambre dans laquelle ledit piston est soumis à des moyens élastiques qui le sollicitent en permanence en direction de ladite première chambre. 10. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la deuxième chambre du cylindre d'alimentation est reliée à un volume de pression dans lequel règne l'une quelconque des pressions suivantes : pression atmosphérique, pression liée à la pression régnant dans les éléments rotatifs concernés à l'intérieur de leurs couronnes d'étanchéité, pression liée à la pression régnant au voisinage desdits éléments rotatifs à l'extérieur de leurs couronnes d'étanchéité. 11. Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 2 à 8,caractérisé en ce que l'une au moins des couronnes d'étanchéité est montée à rotule dans la gorge dans laquelle elle est engagée. 12. Dispositif d'étanchéité à Joints à glace pour interface d'éléments montés coaxialement rotatifs l'un par rapport à l'autre, du genre comportant deux couronnes d'étanchéité annulaires établies circulairement dans ledit interface autour de l'axe de l'ensemble et associées chacune respectivement auxdits éléments, lesdites couronnes d'étanchéité présentant en regard l'une de 1' autre des faces d'étanchéité globalement perpendiculaires audit axe et portant l'une contre l'autre par lesdites faces sous la sollicitation de moyens d'appui à action axiale, un tel disposi tif d'étanchéité caractérisé en ce que l'une au moins des couronnes d'étanchéité est engagée à étanchéité dans une gorge formée annulairement dans l'élément auquel elle est associée et est montée à rotule dans cette gorge. 13t Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 11, 12, caractérisé en ce que les méridiens interne et externe de la section transversale de ladite couronne d'étanchéité sont l'un et l'autre courbes, les concavités desdits méri diens étant tournées l'une vers l'autre. 14. Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la face d'étanchéité d'une au moins des couronnes d'étanchéité présente en creux des saignées de lubrification borgnes, s'étendant à compter de la périphérie interne de ladite face.