Brevet FR2343941A1 — publié le 19771007

La présente invention est du domaine des dispositifs d'étanchdité aux fluides. File vise plus particulièrement des joints de type face-contreface destinés à maintenir une limite Qe pression dans un système à fluide sous pression où est admise une fuite limitée régulée par les joints, et qui compense les changements de viscosité du fluide dus aux variations de température. Dans la technique antérieure, on a déjà propose des joints de type face-contreface à fuite limitée, destinés à des éléments mobiles, par exemple des arbres rotatifs joints dans lesquels une bague d'étanchéité flottante est montée en juxtaposition avec une surface mobile d'une bague ou d'un élément constitutif de, ou monté sur, l'arbre menant. La bague d'étanchéité est pourvue d'une surface positionnée adjacente à la surface de ltélément et espacée de ce dernier d'un degré suffisant pour ménager un intervalle ou épaisseur de film de fluide approprié entre eux. L'épaisseur de cette fente règle la quantité de fuite passant entre les surfaces drétanchéité de la zone haute pression à la zone basse pression.La bague d'éétanchéité est conformée de façon a maintenir automatiquement une petite séparation entre les surfaces jointives de l'élément et de la bague détanchéité à une valeur prédéterminée, cette valeur dépendant en grandeur presque entièrement de la configuration géométrique du joint. L'intervalle ou fente entre la bague d'étanchéité et ltélément est de configuration généralement triangulaire avec une convergence ou angle d'ouverture prédéterminé défini, du fait qu'est prévue une pente ou inclinaison sur la surface d'étanchéitd de l'élément rotatif ou de la bague-d'-étanchéité. Lors du pompage du fluide, ce dernier s'écoule par la fente triangulaire de façon å lubrifier les deux surfaces d'étanchéité, et de les maintenir également espacées, de façon qu'il n'existe aucun contact entre les surfaces d'étanchéité et quelles ne s'usent pratiquement pas, ce qui se traduit par une longue durée du système d'étanchéité qui est en outre facile à entretenir. La quantité de fluide s'écoulant par la fente ou taux de fuite dépend dans une très large mesure de la taille de la fente et de son angle d'ouverture. Un angle d'ouverture trop grand de la fente se traduira par une quantité excessive de fluide s'échappant du joint, et le système d'étanchéité ne créera pas de limite efficace de pression. Un angle d'ouverture trop petit ne fournira pas une séparation appropriée entre les deux surfaces d'étanchéité et ne laissera pas passer suffisamment de fluide par la fente pour lubrifier ces surfaces, ce qui se traduira par une surchauffe et une usure de ces dernières. Ainsi il existe des taux de fuite, maximal et minimal, entre lesquels le système d'étanchéité doit fonctionner. L'utilisation de ces joints hydrostatiques du type facecontreface dans certaines installations, par exemple dans les pompes pour réfrigérant de système de réacteur nucléaire, pose certains problèmes. En effet, le joint hydrostatique doit fonctionner dans une très large plage de température, par exemple entre 15 et 100OC. Pour de nombreux fluides, la viscosité décroSt en fonction de la montée de la température, de sorte que les joints hydrostatiques fonctionnant avec ces fluides tendent à avoir un taux de fuite variant avec la température, s'accroissant notamment lorsque cette dernière s'élève. Dans la plage de fonctionnement mentionnée ci-dessus, la viscosité et le taux de fuite peuvent titre multipliés, par exemple par quatre.De ce fait, les joints conçus pour fonctionner en principe à la limite inférieure de.la plage de fonctionnement peuvent laisser passer une quantité excessive de fluide par la zone d'étanchéité à des températures élevées. En variante, des joints conçus pour fonctionner en principe à la limite supérieure de la plage de température ne laisseraient pas passer suffisamment de fluide de fuite pour des fonctionnements à la limite inférieure de la plage de température. L'invention a donc pour objet de fournir un joint pouvant fonctionner de façon satisfaisante aux deux extrémités de la plage de température operationnelle. L'invention vise plus précisément un joint hydrostatique thermiquement compensé, destiné à être utilisé dans des pompes afin de rendre étanche l'espace annulaire entre l'arbre menant rotatif de la pompe et un carter prévu dans celle-ci, ce joint hydrostatique utilisant un écoulement de fuite régulé du fluide pompé afin de lubrifier les surfaces d'étanchéité de ce joint hydrostatique, ce dernier comportant un élément de configuration générale annulaire s'é-!endant radialement vers ltextér eur à partir dudit arbre menant à l'intérieur dudit espace annulaire et tournant avec cet arbre menant1 une face d'étanchéité étant prévue sur ledit élément ; une bague d'étanchéité posée à coulissement de façon étanche l'intérieur dudit carter dans ledit espace annulaire et entourant ledit arbre menant, cette bague dlétanchéité présentant une surface d'étanchéité adjacente à la face at étanchéité dudit élément, un trajet de fuite limité étant formé entre la bague et l'élément, ce joint étant caractérisé par le fait que la bague d'étanchéité comporte une bague compensatrice y fixée à chaud à une de ses extrémités axiales, cette bague compensatrice étant en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la bague d'étanchéité, de sorte qu'en réponse à la montée de la température de la pompe, cette bague d'étanchéité est contrainte en flexion de façon à augmenter l'angle d'ouverture de la fente ou trajet de fente pour des basses températures du fluide et à diminuer ledit angle pour des températures élevées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante dlune forme de réalisation non limitative de joint hydrostatique compensé thermiquement, en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue en coupe d'un agencement de joint conçu selon le principe de l'invention, et - les figures 2, 3, 4 et 5 sont des vues en coupe illustrant des variantes de réalisation de l'agencement de joint de la figure 1. Dans la description qui suit, les mêmes références sont utilisées pour désigner des éléments identiques sur les différentes figures du dessin. Notamment sur la figure 1, est prévu un carter 10 qui entoure radialement un arbre menant 12 de pompe, deinissant entre eux un espace annulaire 14. Bien qu'il soit constItué de deux segments, à savoir un élément support 16 et un élément de retenue 18 fixés ensemble et dont l'étanchéité est assurée par des moyens non représentés au dessin, le carter peut être d'une structure intégrale. L'espaceannulaire 14 est constitué de deux sections séparées et distinctes, à savoir une section inférieure 20 plus particulièrement destinée à former une chambre de haute pression, et une section supérieure 22 conçue pour fonctionner comme une chambre de basse pression ou de pression ambiante. Un élément annulaire 24 se prolonge r dialemert vers le bas. Cet élément 24, ou masselotte, peut être solidaire de l'arbre menant 12 ou en variante, comme illustré au dessin annexé, être un élément séparé fixé à demeure sur l'arbre menant 12 par des moyens 26 tels que des clavettes ou des vis. Des moyens d'étanchéité 28, par exemple un joint annulaire torique, évite tout écoulement de fluide par la zone de liaison de l'élément annulaire 24 à l'arbre menant 12. L'élément annulaire 24 présente une surface d'étanchéité 30 située au voisinage d'une surface d'étanchéité 32 d'une bague fixe annulaire 34. La bague non rotative 34 est montée à glissement dans un logement 36 prévu dans le carter 10. Une ou plus d'une clavette anti-rotation 38 sont montées à demeure dans le logement 10, et sont disposées de façon à s'insérer librement dans des logements prévus dans la bague d'étanchéité 34. Dans cette forme de construction, la bague 34 est susceptible d'effectuer un mouvement axial, c' est-à-dire un mouvement le long de l'axe longitudinal 42 de l'arbre menant t2, tout en n'étant pas entraînée en rotation lorsque l'arbre menant 12 tourne. Des moyens d'étanchéité 44, par exemple un joint annulaire torique, sont insérés dans une zone de jonction 46 entre le carter 10 et la bague 34 pour éviter l'écoule- ment de liquide par cette jonction 46.Cette bague torique 44 est avantageusement en un matériau élastique afin de permettre un mouvement axial relatif entre l'anneau 34 et le carter 10. Dans un tel agencement, le seul trajet par lequel le fluide peut s'écouler de la section inférieure 20 à la section supérieure 22 est l'intervalle 48 entre la surface d'étanchéité du joint d'étanchéité 32 et la surface d'étanchéité de l'élément annulaire 30. L'intervalle ou fente 48 est de forme généralement triangulaire avec une convergence ou angle d'ouverture prédétermir- Par convergence prédéterminée, on entend que la largeur de l'inter valle 48 au point 50 radialement le plus éloigné de l'arbre menant 12 par comparaison à la largeur de l'intervalle 48 au point 52 radialement le plus proche de l'arbre menant 12 est conçue au pré- alable comme une fonction des forces hydrauliques qui interviennent pendant le fonctionneent de l'agencement de joint Il. Gemme représenté au dessin, la configuration trsanglllaira est formée en conférant à la surface 32 de la bague fixe 34 une inclinaison de façon qu'elle se prolonge radialement vers le bas à partir de l'arbre menant 12. Sans sortir du cadre de l'invention, l'inter valle ou fente triangulaire 48 peut être réalisé en orientant la surface 30 de l'élément annulaire 240 L'intervalle triangulaire 48 commande la quantité de fluide s'écoulant de la chambre inférieure 20 à la chambre supérieure 22. L'épaisseur décroissante de la fente 48 provoque un accroissement de la vitesse d'écoulement du bord le plus externe 50 de la fente au bord le plus interne 52 de la fente. Toutefois, comme la température de l'agencement de joint il s'accroît, la viscosité du fluide pompé, qui est en outre le fluide de fuite, décrott, provoquant ainsi une augmentation de la quantité de fluide s'écoulant par la fente 48o Afin de compenser et de contrecarrer l'écoulement accru de fuite, des moyens tournants 54 sont utilisés pour diminuer la convergence ou angle d'ouverture de la fente triangulaire 48, diminuant ainsi la quantité de fluide pouvant s'écouler par cette dernière. Les moyens tournants 54 représentés au dessin consistent en une bague compensatrice 54 en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique plus élevé que celui de la bague dtétanchéité 34. La bague compensatrice 54 est fixée à chaud sur la périphérie externe 55 de la bague d'étanchéité 34 en un point le long de l'axe longitudinal 42 distal du point central 56 de a bague d'étanchéité et de la surface d'étanchéité 32 de ladite bague de sorte que la bague compensatrice 54 exerce une force sur, ou interfère avec, la bague fixe 34 à la température la plus basse, tandis que l'interférence décrortra en fonction de la montée de la température.Le point central 56 est un point, lorsque la bague d'étanchéité 34 est-vue en coupe transversale, autour duquel ld section transversale de cette dernière est susceptible de tourner si une force radiale uniformément distribuée est exercée distalcment à partir de la zone centrale 56 contre une face de la bague d'étanchéité 34.Le frettage de la bague compensatrice 54 est réalisé par chauffage de cette dernière à une température au moins égale L la limite supérieure de la plage de 'température de fonctionnement du systole d'étanchéité 11, après ql;oi elle est insérée autour de la périphérie extérieure 55 de la bague d'étanchéité 34, puis on la laisse refroidir. Ce refroidissement provoquera la contraction de la bague 54, la serrant ainsi contre la bague d'étanchéité 34 et donnant naissance à une force agissant contre la bague d'étanchéité 34 et s'exerçant dans la direction indiquée par la flèche 58. Cette force provoque une légère rotation de la bague d'étanchéité 34 dans la direction indiquée par la flèche 59.Après le frettage de la bague compensatrice 54 sur la bague fixe 34, la surface d'étanchéité 32 de la bague d'étanchéité 34 est ensuite usinée de façon à obtenir l'inclinaison ou pente voulue pour former l'intervalle triangulaire 48. Le fonctionnement du dispositif d'étanchéité 11 pendant l'actionnement normal de la pompe est le suivant. Au démarrage, le fluide s'écoule par l'intervalle ou fente triangulaire 48 qui présente, comme angle d'ouverture, l'angle usiné sur la surface d'étanchéité 32 de la bague. A mesure de la montée de la température du dispositif d'étanchéité 11, la viscosité du fluide de fuite décrort, provoquant ainsi un accroissement de la quantité d'écoulement dudit fluide. Toutefois, étant donné que la température du dispositif d'étanchéiteE 11 s'accroit, la bague compensatrice 54, qui présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la bague d'étanchéité 34, commence à se dilater.Pendant cette phase de dilatation, la force qui s'exerçait le long d'une ligne désignée par 58, commence à décroltre. Etant donné la diminution de cette force de frettage, la bague d'étanchéité 34 reprend sa position originale d'avant frettage. Ceci se traduit par une rotation de la bague fixe 34 autour de son point central 56 dans unc direction opposée à celle de la flèche 59. La rotation de la bague d'étanchéité 34 autour de son point central provoque une diminution de l'angle d'ouverture de la fente ou intervalle tr*- angulaire 48. Cette diminution de convergence est la cause d'une diminution de la taille de la fente 48 en son point le plus radiale ment éloigné 50, et restreint la quantité de fluide s'écoulant par ladite fente 48. Ceci, en outre, compense 11 écoulement accru de fuite dA à la viscosité abaissée du fluide de fuite. Ainsi, la quantité de fluide fuyant par l'intervalle triangulaire 8 reste sensiblement constante entre les limites des conditions de fonctionnement. A mesure que la température du système d1étanchéité 11 décrott, le processus inverse se produit. tant donné que la température s'abaisse, la bague compensatrice 54 se contracte, ce qui donne naissance à une force de frettage à l'encontre de l'anneau d'étanchéité 34, sollicité à tourner autour de son point central 56 dans la direction indiquée par la flèche 59, tandis que l'angle d'ouverture de la fente triangulaire 48 s'accroSt. Une quantité additionnelle de fluide est ainsi admise à s'écouler par la fente 48. Toutefois, étant donné que la température du dispositif détan- chéité Il décrott, la viscosité du fluide de fuite augmente, ce qui se traduit par une diminution de la quantité de fluide de fuite. Ainsi, la quantité de fluide s'écoulant par l'intervalle 48 reste sensiblement constante. Sur la figure 2 est représentée une modification du système tournant 54. Dans cette forme de réalisation, le système tournant 54 comporte une bague compensatrice 541 qui présente un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de la bague d'étanchéité 34. Cette bague compensatrice est positionnée autour de l'axe longitudinal 42 entre la surface~d'étanehéité 32 et le point central 56. Comme précédemm'ent, la bague compensatrice 54' est fixée à chaud ou frettée sur la périphérie externe de la bague d'étanchéité 34. Toutefois, dans cette position, le frettage exerce une force qui provoque la flexion de la bague d'étanchéité 34 dans la direction illustrée par la flèche 60 et une rotation autour de la zone centrale 56 dans la direction indiquée par la flèche 59'. De même, comme précédemment, après le frettage de la bague compensatrice 54 sur la bague d'étanchéité 34, la surface d'étanchéité 32 de cette dernière est usinée pour réaliser la fente triangulaire 4?. Lorsque la température du système d'étanchéité il s'élève, la bague o::pen satrice 54' ne se dilate pas aussi rapidement que la bague d'étanchéité 34. Du fait de son positionnement entre la surface d'étanchéité 32et le point central 56, la bague compensatrice 54 empêche le mouvement de la bague d'étanchéité 34 où elle se trouve, La dilatation de la bague d'étanchéité 34 produit ainsi un mouvement tournant autour du point central 56 comme indiqué par la rleche 59', provoquant une diminution de la conve-gerlce de la fente triangulaire 48. Ceci se traduit par une action compcsatrice comme décrit ci-dessus. La figure 3 illustre une autre modification du dispositif d'étanchéité 11 selon l'invention. Sur cette figure, le système tournant comporte une bague de dilatation 62 positionnée dans un logement 64 situé sur la surface 66 radialement vers l'intérieur de la bague d'étanchéité 34. La bague de dilatation 62 et le logement 64 sont situés axialement distaux du point central 56 de la bague d'étanchéité et de la surface d'étanchéité 32 de la bague fixe. La bague de dilatation 62 est en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la bague fixe 34. La bague de dilatation 62 présente une épaisseur radiale sensiblement égale à la profondeur radiale du logement 64.La bague de dilatation 62, à ltopposé des moyens tournants décrits cidessus, n'a pas besoin d'être fixée à chaud dans le système d'étanchéité 11. À la place, la bague de dilatation 62 produit un mouvement de la bague fixe 34 afin de diminuer l'angle d'ouverture de la fente triangulaire 48 en se dilatant lorsque la température du système d'étanchéité 11 s'élève. Lorsque la température du système d'étanchéité 11 slaccroft, la bague de dilatation 62 se dilate dans une mesure plus importante que la bague d'étanchéité 34 et le carter 10. La bague de dilatation exerce une force contre une surface 70 sur le coté radialement vers ltextérieur du logement 64, de façon à exercer une force contre la bague d'étanchéité 34 dans la direc -tion indiquée par la flèche 72.Cette force exercée par la dilata- tion de la bague 62 provoque une rotation de la bague d'étanchéité 34 dans la direction de la flèche 73 afin de diminuer l'aigle d'ouverture de l'intervalle triangulaire 48, Cette diminution de l'angle d'ouverture de la fente triangulaire 48 compense alors les diminutions de la viscosité du fluide de fuite comme précédevniaènt décrit. La figure 4 illustre une autre forme de réalisation de la bague 34 du système d'étanchéité 11. Dans cette forme de réalisation, la surface d'étanchéité 32 de la bague 34 est située sur une plaque plane ou face annulaire 74 fixée à un support ou contreface 76 par des moyens tels que des boulons 78 pourvus de essor bus 80 y attachés.Un logement 82 est prévu dans ia face annulaire 74 adjacent à L'arête 84 radialement vers l'extérieur de ladite plaque 74, et adjacent au support ou contreface 76 Une bague de dilatation 86 présentant une épaisseur longitudinale sensiblement égaie à la profondeur longitudinale du logement 82 est insérée dans ce dernier, cette bague 86 présentant un coefficién de dilatation thermique supérieur à celui de la face annulaire 74. Des moyens d'étanchéité 88, par exemple un joint torique, empêchent l'écoule- ment de fluide dans le joint 90 entre la contreface 76 et la face annulaire 74. Ainsi, ltécoulement de fuite du'fluide doit intervenir par la fente triangulaire 48. Le positionnement radial des moyens d'étanchéité 88 définit le diamètre interne dlune zone annulaire 75 de fluide sous haute pression entre la contreface 76 et la face annulaire 74. La pression agissant sur cette zone annulaire 75 constitue une force axiale qui tendrait à séparer la plaque plane 74 du support 76 si le joint torique 88 était à une distance radiale inappropriée. Le positionnement radial approprié du joint torique 88 limite la face axiale et assure que les forces maintenant la plaque plane 74 contre le support 76, par exemple celles exercées par les boulons 78, ne soient pas surpassées. La force nette d'application de la face annulaire 74 contre la contreface 76 et la bague de dilatation 86 est égale à la somme de la force résultant de la pression agissant sur la surface d'étanchéité 32 plus les forces de maintien des boulons 78, mois la force de pression résultant de la pression élevée agissant sur la zone annulaire 75 entre la face annulaire 74 et la contreface 76. Cette force d'application peut & re considérée comme une force uniformément distribuée agissant dans la direction axiale sur la face annulaire 74 et positionnée symétriquement autour de l'axe central du système d'étanchéité Il sur un rayon fixe. Ce dernier est défini par la somme des moments de la composante de forces autour d'un point approprié. La bague de dilatation 86 est positionnée radialement vers l'extérieur le long de la face annulaire 74 à une distance plus grande que le rayon fixe mentionné ci-dessus. Etant donné que la bague de dilatation 86 s1 étend axiale ment lors d'une élévation de tenpérature du système d'étanchéité, la force d'application totale maintient la face annulaire 74 en contact avec la contreface 76 dans la zone du diamètre interne 87 de la face annulaire 74, tandis que la bague de dilatation 86 tend à pousser la face annulaire 74 axialement hors de contact de la contreface 76 dans la zone du diamètre externe 89 de le face 74. Cette dernière tend de ce fait à pivoter de façon a diminuer l'angle d'ouverture de la fente triangulaire 48, réduisant et régulant ainsi le taux de fuite du joint. La figure 5 illustre une variante du système d'étanchéité représenté aux figures 4 et 1. Dans cette variante, la bague compensatrice 86' est insérée dans un logement 82' prévu dans le support 76 plutôt que dans la face annulaire 74. Cette bague compensatrice 86' présente un coefficient d'expansion thermique plus grand que celui de la contreface 76, et lors d'accroissement de température dans le système d1étanchéité 11, cette bague compensatrice 86' exerce une force sur la face annulaire 74 ce qui se traduit par une diminution de l'angle d'ouverture de la fente triangulaire 48. Comme précédemment, cette diminution de l'angle d'ouverture de la fente 48 compense la réduction de viscosité du fluide de fuite. Il est par conséquent évident que l'invention fournit un joint hydrostatique à fuite commandée qui compense les diminutions de viscosité du fluide de fuite, dues aux accroissements de température dans le système d'étanchéite'. RENEN5iICiTIONq 1. Joint hydrostatique thermiquenent compensé, destiné à être utilisé dans des pompes afin de rendre étanche l'esPace annu- laire entre 11 arbre menant rotatif de la pompe et un carter prévu dans celle-ci, ce joint hydrostatique utilisant un écoulement de fuite régulé du fluide pompé afin de lubrifier les surfaces d'étanchéité de ce joint hydrostatique, ce dernier comportant un élément de configuration générale annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur à partir dudit arbre menant a 11 intérieur dudit espace annulaire et tournant avec cet arbre menant, une face d'étanchéité étant prévue sur ledit élément ; une bague d'étanchéité posée à coulissement de façon étanche à l'intérieur dudit carter dans ledit espace annulaire et entourant ledit arbre menant, cette bague d'étanchéité presentant une surface d'étanchéité adjacente à la face d'étanchéité dudit élément, un trajet de fuite limité étant formé entre la bague et l'élément, ce joint étant caractérisé par le fait que la bague d'étanchéité (56) comporte une bague compensatrice (54) y fixée à chaud à une de ses extrémités axiales, cette bague compensatrice (54) étant en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la bague d'etanchéìte, de sorte qu'en réponse à la montée de la température de la pompe, cette bague d'étanchéité (56) est contrainte en flexion de façon à augmenter l'angle d'ouverture de la fente ou trajet de fente (5Q) pour des basses températures du fluide et à diminuer ledit angle pour des températures élevées. 2. Joint hydrostatique selon la revendication 1, dans lequel la bague compensatrice est positionnée adjacente à la surface d'étanchéité de ia bague d'étanchéité, caractérisé par le fait que le coefficient de dilatation thermique de la bague a'étanchéité est supérieur à celui de la bague compensatrice. 3. Joint hydrostatique selon la revendication I, caractérisé par le fait que le coefficient de dilatation thermique de la bague d'étanchéité est inférieur à celui de la bague compensatrice et que cette dernière est positionnée le long de l'axe longitudinal de l'arbre axialement distant de la surface dtétanctite de la bague d'étanchéité et du point central de cette dernière. 4. Joint hydrostatique selon la revendicaLion 1, dans lequel la surface d'étanchéité de la bague d'étanchité est forme sur une plaque plane 0l1 face annulaire fixée à ladite bague, caractérisé par le fait que la bague d'étanchéité présente une gouttière annulaire au voisinage de son extrémité radiale externe et qu'une bague de dilatation est positionnée dans cette gouttière, cette bague de dilatation étant en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique plus grand que celui de la bague d'étanchéité, de sorte que cette bague de dilatation se dilate axialement vers 11 extérieur de cette gouttière en réponse aux accroissements de température dans la pompe et provoque le mouvement de cette face annulaire, ce qui se traduit par une diminution de l'angle d'ouverture de la fente.