Brevet FR2469582A1 — publié le 19810522

La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité pour une pompe centrifuge destinée à pomper un fluide cryogène, cette pompe comportant un arbre d'entrafnement du rotor ainsi qu'un dispositif associé à cet arbre d'entraSne- ment pour assurer l'étanchéité du carter de la pompe. Les pompes centrifuges comportent une majorité de pièces qui sont en grande partie métalliques. Ce n'est qu'au niveau du joint d'étanchéité glissant qu'il faut choisir des matériaux présentant une très faible usure malgré les vitesses de glissement élevées et n'ayant aucune tendance à attaquer les pièces qu'elles touchent. Ces matériaux sont exposés à des charges déterminées en grande partie par la traction interne de l'enceinte rendue étanche et par la caractéristique résultante du soufflet mobile librement suivant l'axe. Dans le cas de pompes centrifuges pour des fluides cryogènes, au montage des différents éléments, la géométrie n'est toutefois pas identique à la géomètrie à l'état de fonctionnement. La différence de température d'environ 2200C (une plage allant de +200C à -2000C) même si l'on ne tient pas compte de l'évolution différente des températures dans le temps, et qui résulte des masses et des états de surface différents, crée des contraintes par déformation Si l'on utilise des matériaux différents par exemple au niveau du palier glissant. Ces contraintes entrainent que l'on ne peut utiliser de matériaux présentant d'excellentes caractéristiques de glissement, car ils seraient détruits par les contraintes de température. On a déjà proposé d'équiper les pompes centrifuge ges pour des fluides cryogènes avec des joints d'étanchéité, glissants9 que l'on fixe par collage. Lorsque l'on utilise de telles pompes pour des fluides cryogènes, les liaisons par collage constituent des zones fragiles car, du fait de variations fréquentes de température (une différence de température allant jusqu'à 220 C), une liaison par collage provoque une fatigue et fait perdre 11 étanchéité au joint.En outre, on ne peut envisager de coller des matériaux de glissement ayant d'excellentes caractéristiques car il y a de trop grandes différences entre les coefficients de dilatation des éléments de fixation. I1 en découle le risque de fuite (rupture de la liaison par collage, fatigue du matériau de collage, etc..). Partant du problème ainsi exposé pour la réalisation de l'étanchéité de pompes centrifuges pour des fluides cryogènes, l'invention a pour but de créer un dispositif d'étanchéi- té qui, malgré les différences énormes de température, assure toujours une bonne étanchéité et de plus soit très fiable grâce à des caractéristiques d'usure faibles. A cet effet l'invention concerne un dispositif d'étanchéité du type ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte deux bagues de glissement coopérant l'une avec l'autre, qui sont portées par un moyen de réception ou une bague d'appui, le coefficient de dilatation du matériau de la première bague de glissement étant supérieur à celui du matériau de la bague d'appui, et le coefficient de dilatation du matériau de la seconde bague de glissement est inférieur à celui du matériau de support. Selon un mode de réalisation préférentiel, il est prévu une bague d'appui sur l'arbre d'entrainement pour ser vir. de support à la première bague de glissement. Pour compenser un retrait axial de la bague de glissement, provoqué par la température, il est prévu, suivant une autre caractéristique de l'invention, d'associer un élément élastique à la bague de glissement, cet élément étant bloqué solidement entre la bague d'appui et une douille d'axe. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la seconde bague de glissement qui coopère avec la première bague de glissement, est portée par un support relié au carter de la pompe par un soufflet. Le choix des coefficients de dilatation différent des matériaux constituant les bagues de glissement par comparaison aux matériaux des éléments de la pompe, qui reçoivent les bagues de glissement (support - bague d'appui) assure que le refroidissement qui se produit lorsque la pompe fonctionne, entrat- ne non seulement la compensation des jeux nécessaires au montage et qui sont intéressants pour simplifier au maximum le procédé de montage, mais également comme déjà mentionné, pour assurer une fixation par retrait (frétage) donnant un fonctionnement sQr. Lorsque les coefficients de dilatation des éléments d'adaptation (bague de glissement et organe de réception) sont essentiellement différents, il est même avantageux de ne pas avoir de tolérances de fabrication qui doivent être généralement très faibles et ni d'avoir une qualité de surface, exceptionnelle, car l'adaptation se fait au cours du premier refroidissement. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation d'une pompe centrifuge pour fluide cryogène représenté dans les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'une pompe centrifuge selon l?invention, - la figure 2 est une vue à échelle agrandie du montage des éléments d'étanchéité dans la pompe centrifuge. La figure 1 montre une pompe centrifuge 10 pour des fluides cryogènes. Cette pompe centrifuge se compose 'un carter 12 dont le c8té supérieur (figure 1) est fermé par un couvercle 14. Ce couvercle de pompe est pressé fortement contre le bottier 12 par l'intermédiaire de bagues d'étanchéité et de la pièce intermédiaire 16 qui est vissée. La pièce intermédiaire 16, telle qu'elle apparait à la figure, est reliée au boîtier par plusieurs moyens de liaison à vis 18 pour assurer l'étanchéité au fluide. Le couvercle de pompe 14, disposé de façon centrale, sert à recevoir et à guider l'arbre d'entraînement 20 relié à un moteur, non représenté. L'extrémité de l'arbre d'entraînement 20, opposée à celle du moteur, pénètre dans la chambre intérieure 22 du carter 12 de la pompe et reçoit un rotor 24. La fixation du rotor 24 est assurée par un moyen de liaison à vis 26 traversant le rotor 24 pour venir sur l'arbre jusqu'à être en appui contre une bague d'appui 28. La bague d'appui 28 elle-m8me est bloquée axialement par une douille d'arbre 30. La douille 30 vient en appui contre l'épaulement 32 de l'arbre 20. A la place de la douille 30, on peut également appliquer directement la bague 28 contre un épaulement ou un collet prévus sur l'arbres La fixation du rotor 24 sur l'arbre d'entraîne- ment 20 se fait par 11 organe d'induction 34 qui est vissé soli- dement sur l'extrémité inférieure de l'arbre 20. Ce type de construction permet un montage str du rotor 24 sur l'arbre d'entraînement 20. Selon la figure 1, l'arbre d'entraînement 20 est rendu étanche à son passage dans l'ouverture 36 du couvercle 14 par deux joints 38. Les joints 38 ne sont toutefois pas suffisants pour réaliser l'étanchéité efficace de l'intérieur 22 de la pompe 10 par rapport à l'extérieur; ces deux joints serventprincipalement à arrêter les saletés et l'humidité. Pour assurer l'étanchéité de l'intérieur 22 par rapport à l'extérieur, il est prévu un dispositif d'étanchéité particulier au niveau de l'arbre 20; ce dispositif porte globalement la référence 40. Le dispositif d'étanchéité comporte une partie rotative 42 portée par le couvercle 14. Selon la figure 1, l'em- trémité supérieure d'un soufflet métallique 44 est fixée sur le côté intérieur de la partie rotative 42 au voisinage de l'épaulement 32. L'extrémité inférieure du soufflet 44 est portée par un moyen de réception 46 qui est coulissant axialement sur la partie rotative 42. Le moyen de réception 46 (voir figure 2) comporte une partie fraisée 48 servent à la fixation d'une bague de glissement 50. La bague de glissement supérieure 50 (seconde bague de glissement) coopère avec une bague de glissement inférieure 52 (première bague de glissement), cette dernière étant portée par la bague d'appui 28. Un élément élastique 54 est disposé entre la douille d'arbre 30 et la bague d'appui 28,- de fa çon à toujours maintenir la bague de glissement 52 dans une position centrale de montage. La possibilité de glissement axial du moyen de réception 46 permise par le soufflet 44 précontraint, assure toujours un appui étanche au gaz de la bague de glissement 52, supérieure, sur la bague de glissement 50 inférieure. Selon les figures, il est prévu une rainure annulaire 58 dans la paroi intérieure 56 de la bague de glissement 52, de forme annulaire. Cette rainure réduit la surface d'appui de la bague de glissement sur le segment vertical correspondant de la bague d'appui 28 (figure 2). Comme mentionné précédemment, la pompe centrifuge décrite ci-dessus, servant à des fluides cryogènes, est exposée à des variations de température dans une plage de température d'environ 2200 (c'est-à-dire entre + 200C et -200P) en cours de fonctionnement, ce qui entraîne une modification des dimensions. Le dispositif d'étanchéité 40 assure une bonne étanchéité de l'intérieur 22 de la pompe centrifuge 10 dans toute la plage de variation de la température. Lors du montage de la pompe centrifuge, notamment lors du choix des matériaux du dispositif d'étanchéité 40, on veille à ce que les divers éléments coopérant du dispositif 40, aient des coefficients de dilatation assurant une bonne étanchéité de la pompe en cours de fonctionnement.Pour cela, on choisit comme matériau de la première bague de glissement 52, un matériau ayant un coefficient de dilatation plus grand que celui du matériau de la bague d'appui 28 et/ou de l'arbre d'entraînement 20. Pour la bague de glissement 52, on peut utiliser des matériaux tels que du polyéthy lène, du PTOSE, du carbone ou du graphite. Ces matériaux ont d'excellentes caractéristiques de glissement et, en m8me temps, une très grande résistance à l'usure (grande fiabilité) Si l'on choisit de façon appropriée l'autre élément d'usure venant en contact. Contrairement à la bague de glissement 28 dans le mode de réalisation représenté, on utilise des matériaux à coefficient de dilatation plus grand que celui de la bague de glissement 52, de sorte qu'à la mise en oeuvre de la pompe centrifuge et à cause du refroidissement important qui en résulte (température allant jusqu'd environ - 200oc), la bague de glissement 52 se contracte beaucoup plus que la bague d'appui 28 portant la bague 52; il en résulte une adaptation par retrait qui est une liaison solide et étanche au gaz.Pour éviter que les efforts de retrait, très importants, engendrés par le refroidissement de la bague de glissement 52 ne risquent de détruire cette bague, la surface d'appui (paroi intérieure 56) est subdivisée par une rainure annulaire 58 (voir figure 2). On obtient ainsi une surface d'appui plus petite pour la bague de glissement 52 sur sa bague d'appui 28, si bien que même sous l'effet de forces de retrait éventuellement importantes, cet appui absorbe les contraintes en se déformant par fluage. Ainsi, même pour les contraintes de rétreint, éventuellement importantes, la bague de glissement 52 ne risque pas de se dé truie. Comme la bague de glissement 52 subit un rétreint, non seulement radial, mais également axial, on a prévu un élément élastique 54 qui compense le rétreint axial de la bague de glissement 52, tout en assurant ltétanchéité et en conservant en même temps le montage radial de la bague de glissement 52. La bague de glissement 52 est ainsi maintenue dans sa position centrale de montage gracie aux forces élastiques développées par l'élément élastique 54. Les conditions sont analogues selon l'invention dans le montage de la seconde bague de glissement 50 sur son support 46. Comme matériau pour le support 46, on utilise uh métal dont le coefficient de dilatation doit toutefois être supérieur à celui du matériau dans lequel est réalisée la seconde bague de glissement 50. Cette seconde bague 50 est réalisée en un matériau résistant à la pression, tel que par exemple une céramique d'oxyde ou un métal dur à un coefficient de dilatation plus faible que celui du matériau du support 46.Dans ce montage, le support 46, qui a le coefficient de dilatation le plus grand, subit un rétreint plus fort que la seconde bague de glissement 50, de sorte que celle-ci est maintenue par le support 46 et assure une liaison par rétreint, étanche au gaz. il est clair que le matériau choisi pour la seconde bague de glissement doit avoir une résistance telle que la bague puisse absorber les efforts de rétreint induits par le support 46, sans risquer de détruire la bague de glissement. Si, par exemple, la seconde bague de glissement 50 est en une céramique d'oxyde, et que le support 46 est réalisé en un matériau susceptible de fluer sous une charge, par exemple l'acier spécial 1.4541, après le refroidissement, du fait des très grandes différences des coefficients de dilatation de ces deux matériaux, on arrive automatiquement à un montage par rétreint, nécessaire pour le fonctionnement.Le support 46 se déforme alors de façon correspondante. il en résulte qu'à la fabrication on peut se satisfaire d'un usinage moins précis, car l'adaptation se fait automatiquement lors de la première mise en oeuvre de la pompe centrifuge. Grecs aux dispositifs d'étanchéité selon l'invention, notamment du fait de l'avantage du choix des matériaux en liaison avec les coefficients de dilatation différents, et grâce à la coopération des différents matériaux lors de la première mise en route de la pompe, du fait du refroidissement, on obtient une excellente adaptation par rétreint entre la première bague de glissement 52 et la bague d'appui 28 correspondante, ainsi qu'entre la seconde bague de glissement 50 et le support 46. Ces adaptations par rétreint assurent une bonne étanchéité de l'intérieur 22 de la pompe centrifuge 10 par rapport à l'extérieur., En outre, les exigences de fabrication des pièces de la pompe ne sont pas aussi sévères quant à la qualité des adaptations, puisque l'adaptation ou le montage se font au tomatiquement par rétreint, comme cela a été mentionné. Bien que le dispositif d'étanchéité selon l'invention5 décrit ci-dessus ait été décrit dans le cas d'une pompe centrifuge, un tel dispositif d'étanchéité peut également s'utiliser dans d'autres applications présentant des problèmes d'étanchéité, sur des dispositifs travaillant à des températures très variables, notamment des fluidés froids comme par exemple l'arbre d'un agitateur dans un cryostat. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'étanchéité notamment pour un appareil fonctionnant avec des fluides cyrogènes tels qutune pompe centrifuge pour fluides cryogènes, comportant un arbre d'entraînement portant le rotor et des dispositifs a'étanchéité pour le carter de l'appareil, dispositif caractérisé en ce qu'il se compose de deux bagues de glissement (50, 52) coopérant l'une avec l'autre, ces bagues étant portées par un support (46) ou une bague d'appui (28), le coefficient de dilatation des matériaux de la première bague (52) étant supérieur à celui du matériau de la bague d'appui (28) et le coefficient de dilatation du matériau de la seconde bague de glissement (50) est inférieur au coefficient du matériau de support (46). 2.- Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre d'entraînement (20) comporte une bague d'appui (28) servant de support à une première bague de glissement (52). 3.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un élément élastique (54) est associé à la bague de glissement (52), cet élément (54) étant pincé entre la bague d'appui (28) et une douille d'arbre (30). 4.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la paroi intérieure (56) de la bague de glissement (52) comporte une rainure annulaire t8) en forme d'anneau circulaire. 5.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde bague de glissement (50) coopérant avec la première bague de glissement (52) est portée par un support (46) relié au couvercle (14) de la pompe, par l'intermédiaire d'un soufflet (44). 6.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde bague de glissement (50) est réalisée en un matériau résistant à la compression et aux efforts de rétreint développés par le support (46). 7.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la seconde bague de glissement (50) est en une céramique d'oxyde, un métal dur ou un acier durci. 8.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que la première bague de glissement (52) est en une matière synthétique, telle que du polyéthylène, du PIFE, du carbone de synthèse ou du graphite.