Brevet FR2421314A1 — publié le 19791026

La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité pour mobiles tournant sous vide et, plus particulièrement, pour machines a tambours ou à disques tournant sous vide. Il existe plusieurs moyens permettant de rendre étanche un mobile animé d'un mouvement de rotation dans une enceinte, par exemple - joints frottants-acier stellite sur graphite, - joints plastiques frottant sur l'arbre tournant, - joints ferrofluides (liquide magnétique frottant). Ces joints sont du type passif, en comparaison avec d'autres dispositifs que l'on peut qualifier de dynamiques. Dans ces derniers cas, l'ensemble assurant l'étanchéité exige des annexes de récupération des fluides, ou peut aussi assurer lui-m8me 1'é- limination du fluide de l'enceinte. On connaît par exemple les dispositifs d'étanchéité à labyrinthe, qui permettent d'isoler les étages à haute et basse pression des turbines, d'éviter les pertes de pression dans les réacteurs et compresseurs, etc...; les applications industrielles de ces labyrinthes étant les turboréacteurs et turbogénérateurs. Les formes des lèvres d'étanchéité de ces joints sont très variables. Dans les cas où l'étanchéité n'est que partielle, le labyrinthe a pour fonction de produire une forte perte de charge du fluide.Cet exemple peut être complété par la mention des joints aérodynamiques, qui exigent des usinages de haute précision et des états de fonctionnement sans vibrations. Ce dernier type de joints peut être rendu plus efficace si on l'utilise comme propre source de pompage, ce qui est le cas des pompes moléculaires. Des usinages spéciaux rendent toutefois ce dernier procédé peu industriel. Cet état de la technique étant expose', le but de la présente invention est de fournir, partant des principes connus, un dispositif d'étanchéité dynamique réalisable sans difficultés d'usinage, et adapté aux techniques du vide. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un dispositif d'étanchéité pour mobiles tournant sous vide, qui comprend un labyrinthe d'étanchéité adapté aux basses pressions du type radial ou axial. Ainsi l'invention constitue une application nouvelle et particulièrement intéressante des labyrinthes d'étanchéité, qui actuellement ne sont utilisés que pour des problèmes de haute pression. Le "joint" selon l'invention, sans frottement, permet d'atteindre de très basses pressions, est avantageux dans des constructions exigeant des arbres ou rotors de grand diamètre tournant avec des vitesses périphériques élevées, et contribue à des simplifications technologiques. Dans une première forme de mise en oeuvre, le dispositif d'étanchéité à labyrinthe pour mobiles tournant sous vide, objet de l'invention, est associé à un circuit de pompage intermédiaire, ceci pour I'rbtention de très basses pressions. Le dispositif d'étanchéité a labyrinthe selon l'invention peut aussi être mis en oeuvre sans pompage intermédiaire, pour les utilisations de mobiles tournant dans une enceinte en dépression. D'une manière générale, le 1,joint" à labyrinthe selon l'invention met à profit certaines formes de sections d'écoulement, définies par des cannelures ou des chicanes, pour créer et accroitre les phénomènes de pertes de charge qui sont fonction des rapports de pression ou des régimes d'écoulement (turbulents, laminaires, moléculaires). Le 7'joint" peut être complété, dans sa version axiale, par une hélice de Fribert, et dans sa version radiale par une spirale identique aux disques des pompes moléculaires. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes de réalisation possibles de ce dispositif d'étanchéité pour mobiles tournant sous vide Figure l est une vue en coupe représentant, dans son principe, un ensemble axial selon l'invention sans pompage intermé- diaire Figure 2 est une vue en coupe représentant, dans son principe, un ensemble axial selon l'invention avec pompage intermédiaire Figure 3 est une vue en coupe représentant, dans son principe, un ensemble axial selon l'invention avec hélice de Fribert Figure 4 est une vue en coupe représentant, dans son principe, un ensemble radial selon l'invention avec une spirale identique aux disques des pompes moléculaires ;; Figures 5 et 6 montrent des détails des lèvres du joint selon l'invention, et illustrent le fonctionnement de celui-ci Figure 7 représente une dernière forme de ce "Joint", vue en section. Comme le montrent les figures l à /t, le dispositif d'étanchéité selon l'invention est disposé entre une partie fixe ou stator 1, et une partie mobile 2, arbre ou rotor, tournant autour d'un axe 3 grâce a des roulements dont l'un est indiqué en 4. Le "joint" selon l'invention est destiné a un mobile tournant sous vide, et il assure la séparation entre un côté haute pression HP et un côté basse pression BP. Les figures l à 3 représentent des ensembles selon l'in- vention utilisant un labyrinthe d'étanchéité du type axial. Dans le cas de la figure l, le dispositif à labyrinthe comprend simplement plusieurs lèvres 5. Dans le cas de la figure 2, il est prévu en outre un pompagc intermC--ciaire Pi entre les côtés haute pression et basse pression , ce qui permet d'obtenir des très basses pressions et peut aussi servir de récupération d'huile condensée par les roulements 4 par exemple. En variante, suivant la figure 3, la zone basse pression peut être spiralée et comporter une hélice de Fribert 6, la zone haute pression, non représentée, tétant pas modifiée. Une réalisation analogue mais du type radial peut être envisagée suivant le schéma de principe de la figure 4, avec des Ivres 5 du côté haute pression, et une spirale convergente 7, identique aux disques des pompes moléculaires, sur une face perpendiculaire a l'axe 3 située du coté basse pression. Dans ces derniers cas, l'efficacité de l'ensemble est liée à un premier étage de pompage dit primaire, qui amène la pression à la valeur nécessairre pour que le processus de pompage moléculaire du second étage ait lieu. Il en résulte donc l'exis- tence d'une zone haute pression pour laquelle les effets de viscosité et de turbulence sont prépondérants ; ces efforts de- pendent aussi de la rugosité réelle ou apparente des surfaces en regard du stator 1 et du rotor 2 et notamment de l'effet de rugosité apparente obtenu par des aspérités, cavités, et coudes qui caractérisent un dispositif à labyrinthe. Ces moyens peuvent être soit envisagés isolément, comme simples moyens de limitation des écoulements de fluide (cas de la figure 1), soit en association avec des moyens de pompage et de freinage (cas des figures 2 à 4). A partir des études et essais effectués, il est possible de préciser les formes , dispositions et dimensions les plus a vantageuses pour les lèvres 5 du labyrinthe. La figure 5 montre le détail des lèvres calibrées situées à l'entrée des circuits. Les Mètres 5 sont espacées les unes des autres d'une distance D de quelques centimètres, ont une hauteur h de quelques centièmes de millimètre, et laissent entre le stator i et le rotor 2 un espace e de quelques millièmes de millimètre.. L'invention englobe aussi, comme le montre la figure 6, les écoulements entre faces parallèles avec tourbillons de Taylor, indiqués en 8. Les d1spositions generales comprennent notamment un ou des coudes particularisés par des lèvres d'entrée (voir figure 7) et des formes en T pour une eu plusieurs chicanes glo bales vivoir figures et et .2?, pouvant etra complétés, selon les cas, par des spirales de refoulement dans 1étage basse pression avoir figures 3 et 4). Le "joint" a labyrinthe selon la présente invention est utilisable pour des rotors montés avec des paliers a roulements ou avec des paliers aérodynamiques ou aérostatiques, ces rotors pouvant etre en forme de tambours ou en forme de disques. Des applications particulières du dispositif d'étanchéité selon l'invention pour machines tournantes fonctionnant sous vide sont projetées pour les machines tournantes à disques ou à tambours utilisées afin de caractériser les faisceaux de neutrons, ces machines servant aussi comme filtres de neutrons harmoniques ou comme générateurs d'impulsions. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation de ce dispositif d'étanchéité pour mobiles tournant sous vide qui ont été décrites ci-dessus â titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application relevant du même principe. - REVENDICATIONS 3. - Dispositif d'étanchéité pour mobiles tournant sous vide, caractérisé en ce qu'il comprend un labyrinthe d'étanchéité adapté aux basses pressions, du type radial ou axial. 2 - Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est associé à un circuit de pompage intermédiaire. 3 - Dispositif d'étanchéité selon la revendication i ou 2, du type axial, caractérisé en ce qu 'il est complété par une hélice de Fribert. 4 - Dispositif d'étanchéité selon la revendication l ou 2, du type radial, caractérisé en ce qu'il est complété par une spirale identique aux disques des pompes moleculaires. 5 - Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisé en ce que le labyrinthe comprend un ou des coudes particularisés par des lèvres. 6 - Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisé en ce que le labyrinthe comprend une ou des chicanes globales en forme de T. 7 - Dispositif d'étanchéiWé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est appliqué à des rotors montés avec des paliers a roulements ou avec des paliers aérodynamiques ou aérostatiques.