Brevet FR2373732A1 — publié le 19780707

La présente invention concerne un joint d'étanchéité mécanique destiné à être utilisé dans une machine rotative traitant d'une façon générale un fluide sous pression comme, par exemple, une pompe et un compresseur. Dans une machine servant à faire circuler un fluide sous pression, on utilise un joint d'étanchéité mécanique au moyen duquel on empêche les fuites d'une région haute pression à une région basse pression le long d'un arbre rotatif. Parallèlement au développement des techniques, les machines utilisant les joints d'étanchéité mécaniques du type décrit fonctionnent dans des conditions sévères, par exemple à des températures, des pressions et des vitesses élevées. I1 est donc devenu particulièrement nécessaire récemment de disposer d'un joint d'étanchéité mécanique pouvant assurer une étanchéité stable même dans des conditions sévères telles que des températures, des pressions et des vitesses élevées. Dans le but de maintenir la temperature du joint d'étanchéité méc.anique a l'intérieur d'une plage appropriée et d'empêcher les impuretés de s'accumuler dans la partie de l'arbre rendue étanche afin de satisfaire ainsi les exigences mentionnées ci-dessus, on a pris des mesures pour améliorer le procédé dit de balayage utilisé pour introduire du fluide dans la partie de l'arbre rendue étanche ou pour évacuer le fluide de cette partie ou bien encore on a formé dans la surface d'étanchéité glissante des éléments rendus étanches des rainures grâce auxquelles du fluide est introduit par force dans la surface d'étanchéité glissante par utilisation de la rotation de la surface d'étanchéité glissante précitée afin d'augmenter ainsi la pression d'un film fluide à l'endroit de cette surface.Toutefois, même avec ces mesures, les problèmes précités ne peuvent pas être résolus entièrement par le fait que le volume de la fuite se trouve accru considérablement ou bien un apport ou un dissipation rapide de chaleur ont lieu tour à tour, ce qui crée des fissures d'origine thermique dans la surface d'étanchéité glissante et, en outre, rend cette surface rugueuse par suite de la température élevée et il est résulte donc, d'une façon inadmissible, une forte usure et une fuite du fluide. Malgré ces difficultés, les exigences concernant l'étanchéité devant être assurée par le dispositif d'étanchéité sont devenues rapidement de plus en plus sévères. La présente invention a. pour objet un joint d'étanchéité mécanique dans lequel la chaleur engendrée par le glissement à l'endroit de la surface d'étanchéité glissante est éliminé efficacement et la surface d'étanchéité glissante est lubrifiée de façon satisfaisante. La présente invention a encore pour objet un joint d'étanchéité mécanique dans lequel on peut obtenir des performances d'étanchéité satisfaisantes même dans des conditions d'étanchéité d'arbre ou la pression du fluide, vis-à-vis duquel l'étanchéité doit être assurée, et la vitesse de glissement sont élevées à la l'endroit de la surface d'étanchéité glissante. Pour atteindre les fins précitées, le joint mécanique selon la présente invention est réalisé de manière que une surface d'étanchéité glissante soit formée à l'inté- rieur d'un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'arbre rotatif par un élément d'-étanchéité rotatif et un élément d'étanchéité fixe; l'un et/ou l'autre desdits éléments d'étanchéité rotatif et fixe soient constitués chacun par une substance unique formée par un alliage fritté dur;; des rainures engendrant une déformation de surface soient formées au voisinage de la surface d'étanchéité glissante, à l'endroit de la face d'extrémité se trouvant sur le caté de la surface d'étanchéité glissante des éléments d'étanchéité constitués chacun par ladite substance unique formée par un alliage fritté dur en vue d'imprimer une déformation de surface à ladite surface d'éranchéité glissante par la mise encontact de cette dernière avec le fluide de refroidissement; et des rainures augmentant la zone de création de turbulence et de transfert de chaleur soient formées à la partie ou aux parties marginales desdits éléments d'étanchéité à l'exclusion de la face d'extrémité se trouvant sur le cOté de la surface d'étanchéité coulissante en vue de rendre turbulent le fluide de refroidissement et d'augmenter la surface de transfert de chaleur. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention décrite ci-dessus apparattront à la lecture de la description détaillée faite ci-après en référence au dessin annexé, sur lequel la fig. 1 est une vue en coupe longitudinale montrant un premier mode de réalisation d'un joint d'étanchéité mécanique selon la présente invention; la fig. 2 est une vue en coupe suivant II-II de la fig. 1; la fig. 3 est une vue en coupe suivant III-III de la fig. 15 la fig. 4 est une vue en coupe longitudinale d'un second mode de réalisation d'un joint d'étanchéité mécanique selon la présente invention; la fig. 5 est une vue en coupe suivant V-V de la fig. 4; la fig. 6 est une vue en coupe longitudinale d'un troisième mode de réalisation du joint mécanique selon la présente invention; la fig. 7 est une vue en coupe suivant VII-VII de la fig. 6; la fig. 8 est une vue en coupe longitudinale d'un quatrième mode de réalisation du joint d'étanchéité mécanique selon la présente invention; la fig. 9 est une vue en coupe suivant IX-IX de la fig; 8; la fig. 10 est une vue en coupe longitudinale d'un cinquième mode de réalisation du joint mécanique selon la présente invention; la fig. 11 est une vue en coupe suivant XI la fig. 12 est une vue en coupe suivant XII-XII de la fig. 11. Les fig. 1 à 3 montrent le premier mode de réalisation du joint mécanique selon la présente invention. Sur le dessin, on a représenté un joint d'étanchéité mécanique du type dit statique dans lequel un des éléments d'étanchéité et un ressort sont disposés sur le côté fixe. Sur le dessin la référence l désigne une-enveloppe, la référence 2 un rebord, la-référence 3 un arbre rotatif, la référence 4 un élément d'etanchéité rotatif qui tourne en même temps que l'arbre rotatif 3 cet élément d'étanchéité rotatif 4 étant rendu solidaire de l'arbre rotatif 3 au moyen d'une clavette 5 et d'un manchon 6.Ledit élément d'étanchéité rotatif 4 est constitué par un alliage fritté dur qui est une matière ayant une résistance excellente à l'usure et une conductibilité thermique élévée. La référence 7 désigne un élément d'é'tanchéité fixe qui est maintenu immobile. Ledit élément d'étanchéité fixe 7 comprend une partie fixe 7a de glissement coopérant avec l'élément d'étanchéité rotatif 4 pour former une surface d'étanchéité glissante 8 et un bâti 7b qui retient la partie coulissante fixe et qui est installé avec ladite partie glissante fixe 7a par un ajustage'par contraction ou tout autre ajustage analogue et qui est monté de façon 9 ne pas pouvoir tourner sur le rebord 2 à ltaide d'une goupille 9. Ladite partie fixe glissante 7a est normalement en carbone ou autre matière analogue.La référence 10 désigne un ressort servant à presser la partie glissante fixe Va de l'élément d'étanch8ité fixe 7 contre l'élément d'étanchéité rotatif 4, la référence 11 désignant une chambre rendue étanche, la référence 12 un orifice d'arrivée de fluide de refroidissement ménagé dans l'enveloppe 1, ledit orifice 12 acheminant le fluide de refroidissement jusqu'à la partie de la surface- d'étanchéité glissante 8 de manière à éliminer ainsi la chaleur engendrée par le glissement à l'endroit de la surface d'étanchéité glissante 8.Ce premier mode de réalisation est conçu de manière telle que : (a) une multiplicité de rainures curvilignes 14 engendrant une déformation de surface sont présentes à la face d'extrémité 13 sur la surface d'étanchéité glissante de l'élément d'étan chéité rotatif 4 constitu8:par.-une substance unique sous la. forme d'un alliage fritté durain que la déformation de surface soit imprimée à la -surface d'étanchéité glissante 8 de manière telle que lesdites rainures 14 ne soient pas amenées en contact avec la surface d'étanchéité glissante 8 et s'étendent dans la direction perpendiculaire à l'axe de l'arbre rotatif et (b) une wultiplicite de rainures 16 en forme de "U sont formées a l'endroit de la face d'extrémité 15 sur le côté opposé à la-surfEace d'étanchéité glissante de l'élément d'étanchéité rotatif 4 en vue de rendre turbulent le fluide de refroidissement et d'augmenter la superficie de refroidissement de la zone par où s'effectue le transfert de chaleur. L'élément d'étancheite rotatif précite 4 est adapté pour augmenter le transfert de chaleur engendré par le glissement à l'endroit de la surface d'étanchéité glissante 8 et les rainures 16, formées dans l'élément d'étanchéité rotatif 4 pour créer la turbulence et augmenter la superficie de la région par ou s'effectue le transfert de chaleur, sont adaptées pour rendre turbulent le fluide de refroidissement de manière à refroidir ainsi les éléments d'étanchéité.De plus, la dilatation axiale thermique au voisinage de la partie des rainures 14 de la surface d'étanchéité glissante 8 de l'élément d'étanchéité rotatif 4 lest plus petite que celle qui se manifeste à'ia surface d'étanchéité glissante au voisinage de la partie (représenté par 'A') de l'élément d'étanchéité rotatif 4 qui ne comporte pas les rainures 14 engendrant une déformation de surface par suite de l'action du fluide de refroidissement remplissant les rainures 14 engendrant une déformation de surface, grace à quoi on obtient de légères déformations périodiques de surface à la surface d'étanchéité glissante 8 et on peut former lesdites rainures 14 de manière qu'elles aient une forme curviligne circulaire, comme représente en traits mixtes sur la fig. 2. On va maintenant décrire le fonctionnement du premier mode de réalisation de joint d'étanchéité mécanique selon la présente invention. Dans des conditions d'étanchéité sous forte pression et sous vitesse élevée, de la chaleur est engendrée par le glissement ayant lieu à l'endroit de la surface d'étanchéité de glissement 8 et il s'ensuit une élévation des températures de l'élément d'étanchéité rotatif 4 et de l'élément d'étanchéité fixe 7. Toutefois, l'élément d'étanchéité rotatif 4 et l'élément-d'étanchéité' fixe 7 sont refroidis efficacement en raison-de la conductibilité thermique élevée de l'élément coulissant rotatif 4 formé par une substance unique, à savoir un alliage fritté dur, et aussi par suite du conct avec le fluide de refroidissement qui est rendu turbulent par les rainures 16 présentant une superficie accrue de transfert thermique et ayant une action engendrant de la turbulence.D'autre part, dans le cas où de la chaleur est engendrée par le glissement à l'endroit de la surface d'étanchéité glissante 8 par suite de la rotation de l'arbre rotatif précité '3 à une vitesse élevée, l'élément rotatif glissant 4 est soumis à une dilatation thermique. Toutefois, la partie de l'élément d'étanchéité rotatif 4 comportant les rainures 14 engendrant une déformation de surface est soumise à une dilatation thermique inférieure à celle à laquelle est soumise la partie ne comportant pas des rainures 14 car elle est refroidie par le fluide de refroidissement pénétrant dans lesdites rainures 14. Pour cette raison, de légères déformations périodiques de surface prennent naissance dans la surface d'étanchéité glissante 8 sur le cbté de l'élément d'étanchéité rotatif 4.Le fluide de refroidissement, qui a pénétré dans les parties concaves créées par lesdites déformations de surface dans la surface d'étanchéité glissante 8, forme alors un film lubrifiant à l'endroit de la surface d'étanchéité glissante 8, ledit film refroidissant et lubrifiant la surface d'étanchéité glissante 8. Ensuite, quand le degré de déformation superificiel de la surface d'étanchéité glissante 8 a augmenté et que les conditions de lubrification et de refroidissement sont devenues satisfaisantes, la chaleur engendrée par le glissement à l'endroit de la surface d'étanchéité glissante 8 diminue par suite d'une diminution de la température tandis que le degré de déformation superficiel de la surface d'étanchéité glissante 8 décroit par une action d'autoréglage. Les fig. 4 et 5 montrent le second mode de réalisation du joint d'étanchéité mécanique selon la présente invention. Dans ce second mode de réalisation, une multiplicité de rainures 14 engendrant une déformation de surface et également une multiplicité de rainures 16 augmentant la région de transfert thermique et-engendrant une turbulence, lesdites rainures 14 et 16 ayant une section identique et communiquant les unes avec les autres, sont formées dans la partie marginale de l'élément d'étanchéité rotatif 4 constitué par une substance unique en alliage fritté dur, cela de manière telle que les rainures des deux types ne viennent pas en contact avec la surface d'étanchéité glissante 8. a Les fig. 6 et 7 montrent le troisième mode de réalisation du ,joint d'étanchéité mécanique selon la présente invention.Dans ce troisième mode de réalisation, une multiplicité de rainures 14 engendrant une déformation de surface et également une multiplicité de rainures 16 augmentant la zone de transfert thermique et engendrant une turbulence, ces gorges 14 et 16 ayant des sections identiques et communiquant les unes avec les autres, sont formées dans la partie marginale de l'élément d'étanchéité rotatif 4 constitué par une substance unique en alliage fritté dur, cela de manière telle que lesdites rainures 14 engendrant une déformation de surface ne viennent pas en contact avec la surface d'étanchéité glissante 8. Les fig. 8 et 9 montrent le quatrième mode de réalisa- tion du joint d'étanchéité mécanique selon la présente invention. 'L'élément d'étancheité rotatif 4 peut entre détruit par la force centrifuge lors d'une rotation à vitesse élevée et il existe un danger que les fragments résultant de cette destruction se dispersent car l'alliage fritté dur, constituant l'élément d'étanchéité rotatif 4, est dur et fragile. C'est pourquoi, dans ce 'quatrième mode de réalisation, une bague protectrice 17 empêchant la projection des fragments est montée sur la périphérie exterieure de l'élément d'étanchéité rotatif 4. Cette bague protectrice 14 peut comporter à la fois des rainures engendrant une déformation de surface et des rainures augmentant la zone de transfert thermique et engendrant de la turbulence, cela conformément la présente invention. Les fig. 10 à 12 montrent le cinquième mode de réalisation du joint d'étanchéité mécanique selon la présente invention. Dans ce cinquième mode de réalisation, les rainures 14, engendrant une déformation de surface et dont chacune a un profil arrondi, sont formées à intervalles réguliers au voisinage de la surface d'étanchéité glissante sur le côté de la surface d'-étanchéité glissante 8 de l'élément d'étanchéité rotatif 4. En outre, les rainures 16 qui augmentent la zone de transfert thermique et engendrent de la turbulence sont formées à des intervalles réguliers dans la partie-marginale de l'élément d'étanchéité rotatif 4 séparément desdites rainures 14engendrant une déformation de surface, lesdites rainures 16-communiquant avec ces rainures 14* Ledit élément d'étanchéité rotatif 4 est constitué par une seule substance en alliage fritté dur de forte conductibilité thermique et, sur sa périphérie extérieure, cet élément 4 comporte une bague 'protectrice 17 empêchant la dispersion des fragments. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, la surface d'étanchéité glissante 8 peut être totalement refroidie et lubrifiée même dans des conditions d'étanchéité sous haute pression et sous vitesse élevée, cela de la même manière que dans le cas du premier mode de réalisation décrit. De plus, les configurations des rainures 14 engendrant une d6forma.tion de surface et des rainures 16 augmentant la zone de transfert thermique et engendrant une turbulence ne sont pas nécessairement limitées, dans les modes de réalisa- tion décrits, aux exemples représentés sur les figures. En outre, dans les modes de réalisation décrits, l'élé- mentd'étanch8ité rotatif est constitué par une seule substance en alliage fritté dur et comporte des rainures engendrant des déformations de surface et des rainures augmentant la zone de transfert thermique. Toutefois, l'élément d'étanchéité fixe uniquement ou bien l'élément d'étanchéité rotatif ainsi que l'élément d'étanchéité fixe peuvent être constitués par une seule et même substance en alliage fritté dur et comporter des rainures engendrant une déformation de surface et des rainures augmentant la zone de transfert thermique et engendrant de la turbulence. De plus, la présente invention peut être appliquée aux joints d'étanchéité mécaniques du type dit rotatif dans lequel un des éléments d'étanchéité et un ressort sont montés sur l'organe rotatif. Les resultats d'essais effectués suivant la présente invention ont montré que les performances d'étanchéité et de résistance à l'usure pouvaient être maintenues à une valeur maximale même dans des conditions d'étanchéité d'arbre de pompé hydraulique à une valeur.PV de 1000 kg/cm3.m/s, valeur qui ne pouvait pas être appliquée aux joints d'étanchéité mécaniques classiques. Comme on l'a décrit en détail ci-dessus, l'élément ou les éléments d'étanchéité sont constitués chacun par une seule et même substance en alliage fritté dur et l'écoulement du fluide de refroidissement. au voisinage de la surface d'étanchéité glissante est bonne, ce qui permet de dissiper de façon satisfaisante la chaleur qui est engendrée à l'endroit de la surface d'étanchéité glissante.En outre, un film lubrifiant est formé par suite des légères déformations périodiques de surface qui prennent naissance à l'endroit de la surface d'étanchéité glissante par suite de la différence de dilatation thermique, ce film permettant de refroidir et de lubrifier la surface d'étanchéité glissante en coopération avec l'action de transfert thermique précitée. I1 s'ensuit que l'on peut obtenir une performances d'étanchéité d'arbre satisfaisante sans apparition de fissures d'origine thermique dans la surface d'étanchéité glissante et sans qu'apparaisse une usure exagérément élevée et une fuite faucheuse par suite de la rugosité de la surface d'étanchéité glissante même dans des conditions d'étanchéité d'arbre à des valeurs PV élevées ou la pression d'étanchéité et la vitesse de glissement sont élevées. I1 est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention dont l'éten- due est définie par les revendications ci-annexées. REVEND ICAT IONS 1. Joint d'étanchéité mécanique pour assurer l'étanchéité d'un arbre dans des conditions de pression, de température et de vitesse élevées, caractérisé par le fait qu'il comprend un arbre; un élément d'étanchéité rotatif monté sur ledit arbre et entrainé en rotation en meme temps que cet arbre; un élément d'étanchéité fixe formant une surface d'étanchéité glissante où l'action d'étanchéité est effectuée par coopération avec ledit élément d'étanchéité rotatif; un moyen formant ressort disposé dans la direction axiale afin d'augmenter la pression superficielle de ladite surface d'étanchéité glissante;; au moins une rainure engendrant une déformation de surface formée dans la partie voisine de la surface d'étanchéité glissante sur le côté de la surface d'étanchéité glissante d'au moins un des éléments d'étanchéité précités afin de créer un film fluide en engendrant des déformations de surface dans ladite surface d'étanchéité glissante; au moins une rainure destinée à augmenter la zone de transfert thermique et à engendrer de la turbulence et formée dans la partie marginale d'au moins un desdits éléments d'étanchéité, cela séparément de la rainure engendrant une déformation de surface, de telle sorte que le fluide de refroidissement envoyé à la surface d'étanchéité glissante puisse être rendu turbulent et que la zone de contact du fluide de refroidissement puisse être augmentée. 2. Joint d'étanchéité mécanique suivant la revendication .1, caractérisé par le fait qu.' au moins une rainure engendrant une défprmation de surface est formée respectivement dans la partie voisine de la surface d'étanchéité glissante des deux éléments d'étanchéité et qu'au moins une rainure augmentant la zone de transfert thermique et engendrant de la turbulence est formée respectivement dans la partie marginale des deux éléments d'étanchéité cela séparément de ladite rainure engendrant une déformation de surface. 3. Joint d'étanchéité mécanique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins un des éléments d'étanchéité est constitué-par une seule et même substance en alliage fritté dur de manière à assurer de façon satis faisante la conduction de la chaleur engendrée par le glissement. 4. Joint d'étanchéité mécanique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux éléments d'étanchéité sont constitués par une seule et même substance en alliage fritté dur de manière à assurer de façon satisfaisante la conduction de la chaleur engendrée par le glissement. 5. Joint d'étanchéité mécanique suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'au moins un des éléments d'étanchéité est constitué par-une seule et même substance en alliage fritté dur de manière à assurer une conduction satisfaisante de la chaleur engendrée par le glissement. 6. Joint d'étanchéité mécanique suivant, la revendication 2, caractérisé par le fait que les deux éléments d'étanchéité sont constitués par une seule et même substance en alliage fritté dur de manière à assurer de manière satisfaisante la conduction de la chaleur engendrée par le glissement. 7. Joint d'étanchéité mécanique suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que de nombreuses rainures engendrant une déformation de surface s'étendent radialement dans la partie voisine de la suface d'étanchéité glissante des éléments d'étanchéité à des intervalles le long de la circonférence desdits éléments d'étanchéité et que de nombreuses rainures augmentant la zone de transfert thermique et engendrant de la turbulence sont formées radialement dans la partie marginale de la surface d'étanchéité glissante des éléments d'étanchéité, cela séparément des rainures précitées engendrant une déformation de surface, à des intervalles le long de la circonférence desdits éléments d'étanchéité. 8. Joint d'étanchéité mécanique suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que de nombreuses rainures engendrant une déformation de surface s'étendent radialement dans la partie voisine de la. surface d'étanchéité glissante des éléments d'étanchéité à des intervalles le long de la circonférence desdits éléments d'étanchéité et que de nombreuses rainures augmentant la zone de transfert thermique et engendrant de la turbulence sont formées radialement dans la partie marginale de la surface d'étanchéité glissante des éléments d'étanchéité, cela séparément desdites rainures engendrant une déformation de surface, à des intervalles le long de la circonférence desdits éléments d'étanchéité. 10. Joint d'étanchéité mécanique suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que de nombreuses rainures engendrant une déformation de surface s'étendent radialement dans la partie voisine de la surface d'étanchéité glissante des éléments d'étanchéité à des intervalles le long de la circonférence desdits éléments d'étanchéité et que de nombreuses rainures augmentant la zone de transfert thermique et engendrant de la turbulence sont formées radialement dans la partie marginale de'la surface d'étanchéité glissante des éléments d'étanchéité, cela séparément desdites rainures engendrant une déformation de surface, à des intervalles le long de la circonférence desdits éléments d'étanchéité.