Brevet FR2484590A1 — publié le 19811218

2484S9'0 Joint annulaire pour étanchéité statique sous températures très élevées et faibles chutes de pression ainsi que son procédé de fabrication. La présente invention concerne un Joint annulaire effi- cace pour assurer une étanchéité statique en présence de tempé- ratures très élevées et de faibles différences de pression, ce ce joint ayant un degré élevé d'aptitude à une déformation élastique à la fois dans le sens axial et dans le sens radial et pouvant être fabriqué facilement et rapidement à bas prix et eela avec des diamètres différents et aussi avec des dimen- sions considérables au moment même de son utilisation. L'invention concerne également un procédé pour réaliser un tel Joint. Comme il est connu, le Joint annulaire d'étanchéité statique pour des températures très élevées et pour des diffé- rences de pression faibles est utilisé pour assurer une étan- ehéité entre des pièces mécaniques appariées sujettes à un mous vement mutuel relatif par suited'ix dilatation thermique diffé- rente desdites pièces sous l'effetd'ounedifférence de températu- re. On voit d'après ce qui précède, qu'un Joint d'étanchéi- té statique doit gtre suffisamment élastique pour s'adapter au déplacement mutuel desdites pièces appariées et pour compen- ser ces déplacements. L'état actuel de la technique divulgue de nombreux types différents de Joints d'étanchéité statiques pour hautes temnipératureset pour faiblesdifférences de pressiono La plupart des Joints classiques consistentessentiellement en des anneaux en métal ou en amiante renforcé par des fils en un métal coteux qui, toutefois, par suite de leur degré très faible d'aptitude à une déformation élastique ne peuvent absolument pas 8tre utilisés chaque fois qu'un tel déplacement mutuel des pièces appariées devient important comme c'est le cas, plus particulièrement, dans le domaine des turbines à gaz pour aéronefs ou pour véhicules terrestres dans lesquelles, pendant les opérations de démarrage ou d'arrêt, certaines pièces sont soumises à des différences de température considé- rables. Ces gradients de température apparaissent à des moments différents dans les pièces différentes qui viennent en contact, cela en raison des différences d'épaisseur et des coefficients de conductibilité thermique différents des pièces différentes de sorte que des différences de dilatation se manifestent dans les diverses pièces appariées, ces dilatationspouvant meme être de l'ordre de grandeur d'un centimètre dans le cas des turbine pour véhicules terrestres. Actuellement, pour tenir compte des débottementsmutuels considérables entre les pièces appariées on adopte un Joint d'étanchéité statique spécial, appelé "Joint Belleville" (Joint d'étanchéité élastique en forme de disque conique) qui est constitué essentiellement par un anneau métallique dont les bords circonférentiels sont inclinés vers l'axe de l'anneau, ledit anneau étant introduit dans un état chargé préalablement, c'est-à-dire comprimé radialement, entre les pièces appariées concernées. Un tel Joint d'étanchéité statique annulaire pour très hautes températureset faiblesdifférences de pression présente toutefois un certain nombre d'inconvénients. Son principal défaut est dQ essentiellement au fait que le Joint, en plus de s'adapter plutôt aux déplacements radiaux qu'aux déplace- ments axiaux, présente un degré d'aptitude à une déformation élastique qui n'est pas très important de sorte que l'on ne peut prendre en compte que les déplacements mutuels d'ampll- tude relativement faible de l'ordre de quelque dixième de millimètres, ce qui est loin des quelques millimètres qui sont généralement nécessaires dans le domaine d'utilisation des turbines à gaz. Un autre défaut réside dans le prix élevé de ces Joints d'étanchéité, spécialement s'ils doivent être appliqués à des pièces ayant un diamètre important comme c'est généralement le cas dans le domaine des turbines à gaz. En outre, untel Joint soulève des difficultés considérables lors de l'assemblage étant donné que, du fait qu'il faut nécessairement ouvrir l'anneau métallique pour pouvoir l'intro- duire entre les pièces métalliques appariées, il est ensuite nécessaire de souder les extrémités en regard de l'anneau fendu, ce qui entratne une perte de temps et augmente le prix de re- vient. Enfin, comme un tel joint d'étanchéité ne peut pas être réalisé au moment même de son application, il faut préalablement disposer d'une réserve de Joints de différents diamètresce qui entratne également desproblèmes de stockage et d'emballage représentant un fardeau important quand il s'agit de Joints d'étanchéité de grande dimension. Un autre type classique de joint d'étanchéité statique qui permetentre des pièces appariéesdes déplacement mutuels plus Importants que ceux pouvant 8tre compensés par les joints d'étanchéité en forme de disques coniques du type Belleville précité est un soufflet métallique annulaire qui est sensi- blement similaire aux Joints/Dilatation destinés aux pipelines et qui est disposé entre lesdites pièces appariées après avoir été comprimé axialement au préalable. Ce dernier type de Joint d'étanchéité ne permet pas non plus de compenser des déplacements de l'ordre de ceux nécessaires dans le domaine des turbines à gaz; de plus, ce type de Joint présente tous les défauts des Joints d'étanchéité en forme de disques coni- quesy compris ceux relatifs au déplacement dans une seule direction, à savoir la direction axiale dans le cas considéré, et soulève d'autres difficultés de conception en raison de ses dimensions axiales non négligeables, ceci étant dé au fait que deux rebords ou brides sont nécessaires pour relier les extrémités respectives du soufflet métallique aux deux pièces appariées concernées. Un objet de la présente invention est donc de remédier aux défauts mentionnés ci-dessus en réalisant un nouveau joint d'étanchéité statique annulaire pour très hautestempératures et faibles différencesde pression, ce Joint combinant de façon heureuse une grande simplicité de construction,unegrandefaclité d'installation et un faible prix avec un degré élevé d'aptitude à une déformation élastique à la fois dans le sens axial et dans le sens radial. Selon une caractéristique de la présente invention, on atteint cet objet grace au fait que ledit Joint d'étanchéité devant être inséré entre deux pièces métalliques appariées soumises à un mouvement mutuel relatif dé à une différence de dilatation thermique est formé au moyen d'un ruban feuilleté ou stratifié,en une matière métallique durcie à froid,qui a été coudé préalablement et enroulé sur lui-mgme en plusieurs spires ayant un diamètre quelconque choisi préalablement, les premièreset les dernières de ces spires étant fixées l'une à l'autre par des rivets ou par soudage par points, ledit ruban étant profilé de manière à présenter la forme d'un V ouvert dont la surface concave est orientée vers l'exté- rieur de cesspiresetdont le sommet ou pointeest refoulé vers l'arrière de manière à former un évidement analogue à une gorge dont le contour ressemble beaucoup à une circonférence. On peut en réalité se rendre compte immédiatement des avantages d'un tel Joint d'étanchéité statique. En premier lieu, du fait que le joint d'étanchéité est constitué par un ruban en métal durci à froid ayant une épaisseur de quelques dixièmes de millimètre, il est extrême- ment léger de sorte que son prix de revient est virtuellement indépendant du choix du matériau utilisé. Par conséquent, le Joint peut être réalisé également à l'aide de matériaux très coQteux, tels que les aciers inoxy- dables 18-8 ou les alliages spéciaux pour très hautes tempéra- tures (Monel, Inconel, Nymonic et autres alliages analogues) qui permettent au Joint d'étanchéité de résoudre des problèmes d'étanchéité également dans des environnements extrêmement corrosifs tels que ceux que l'on rencontre dans les installa- ttons nucléaires pour le production d'uranium enrichi par le procédé de diffusion gazeuse qui utilise de l'hexafluorure d'uranium sous forme gazeuse ou, en général, dans les usines chimiques classiques. Le contour de section droite du Joint considéré le rend, en outre, extrêmement apte à se déformer élastiquement à la fois dans le sens axial et dans le sens radialetà s'adap- ter pour tenir compte des déplacements mutuels même considéra- bles entre les pièces appariées, ces déplacements étant de l'ordre de quelques centimètres. En effet, la forme du Joint est tel que,sous l'effet d'un effort de compression axial, il subit une drormation axiale et en même temps une déforma- tion radiale élastique; ces déformations peuvent être de l'ordre de 20 % de la largeur du ruban métallique dont est constitué le Joint de sorte que, si on donne à ladite largeur une dimension appropriée, ces déformations peuvent atteindre une valeur de quelques centimètres. En outre, la forme parti- cullère du Joint assure, grace au faitque la surface concave est orientéEvers 1'extérieur par rapport aux spires, on peut facilement et d'une façon permanente cintrer le ruban du joint suivant des rayons de courbure différents pour obtenir différents diamètres qui sont également importants, à savoir de l'ordre de 5 m et plus.pour répondre à différentes exigences, O10 tout en maintenant inchangé le contour de section droite; ce contour, comme on l'a souligné ci-dessus,communique au ruban une aptitude remarquable à une déformation élastique. La présence d'un évidement circonférentiel analogue à une gorge remplit, à son tour, la triple tâche dd'augmenter 1' aptitude à une déformation élastique du ruban et, de ce fait, du Joint élastique statique dans son ensemble, d'assu- rer une stabilité de forme au diamètre choisi préalablement et de guideret centrerles unes par rapport aux autres les diverses spires constituant le joint d'étanchéitéo Par ailleurs, du fait que le joint d'étanchéité a une forme en spirale, il peut éliminer efficacement les différences de pression dans des conditions spécialement défavorables, cela avec des pertes dues aux fuites extramsment faibles, car on peut modifier le nombre de spires, nombre qui est générale- ment compris entre 3 et lO en conformité avec les différences de pression à contr8ler et, de plus,onn'éprouve aucune diffi- culté pendant l'assemblage car il suffit de fixer l'une à l'autre les première et dernière spires ce que l'on peut effectuer facilement à l'aide de simples rivets ou par un soudage par points Enfin un avantage supplémentaire réside dans. le fait que l'on ne rencontre plus de problèmes fâcheux en ce qui concerne le stockage et la disponibilité de Joints prêts à être installés étant donné qu'il suffit d'avoir sous la main seulement un petit ensemble de rubans feuilletés en ma- tière métallique durcie à froid et de largeursdifférentesen- roulés sur des bobines,étant donné que le joint peut mainte- nant être fabriqué facilement et rapidement sur mesure dans des diamètres différents et même considérables au moment meme de l'assemblage par une simple opération de profilage à froid à l'aide d'un ensemble de rouleaux ou galets. Ainsi, grace au contour particulier de section droite du Joint d'étan- chéité, une seule opération permet d'obtenir à la fois la forme de section droite finale du ruban et la courbure qui est néces- saire pour réaliser un Joint d'étanchéité d'un diamètre quel- conque donné. Il est également possible de modifier la cour- bure tout en maintenant inchangé le contour de section droite simplement en réglant l'ensemble de rouleaux. En effet, suivant une autre caractéristique de la pré- sente invention, le ruban feuilleté en matière métallique dur- c eà froid formant le Joint d'étanchéité statique annulaire est courbé préalablement au diamètre voulu et profilé de ma- nière à avoir la forme dudit V ouvert comportant un évidement semi-circulaire analogue à une gorge par une opération de lami- nage à froid qui consiste à faire passer ledit ruban, pendant qu'il est déroulé d'une bobine d'alimentation et qu'il est guidé latéralement par deux rouleaux de guidage, à travers un premier couple de rouleaux de centrage adapté pour "imprimer" une petite rainure analogue à une gorge le long de l'axe lon- gitudinal du ruban, à faire passer ensuite le ruban à travers un second couple de rouleaux de profilage adapté pour commu- niquer au ruban un contour de section droite finale, c'est-à- dire pour couder le ruban à profil en V ouvert en formant un évidement circonférentiel analogue à une gorge en coincidence avec ladite petite gorge "imprimée" préalablement par le premier couple de rouleaux et, finalement, à faire passer le ruban à travers deux couples supplémentaires de rouleaux qui sont les contreparties exactes des rouleaux du second couple de rouleaux, un rouleau de poussée poussant le ruban entre ces rouleaux avec une force réglable qui est adaptée pour communi- quer au ruban ainsi profilé le rayon de courbure voulu. On voit, d'après ce qui précède, que le cintrage ou courbure préliminaire du ruban est uniquement fonction de l'amplitude de la force avec laquelle le rouleau de poussée pousse le ruban de sorte que, en modifiant ladite amplitude, on peut facilement modifier ladite courbure préliminaire de manière à obtenir des Joints d'étanchéité statiques de divers diamètres différentset on peut obtenir ce résultat sans modi- fier en aucune façon la superficie de section droite du ruban. On va maintenant décrire la présente invention à titre illustratif et non limitatif en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe latérale partielle de deux pièces mécaniques appariées qui sont sujettes à un mouve ment relatif mutuel en raison de leur différence de dilatation thermique, l'étanchéité étant assurée entre ces deux pièces par un joint d'étanchéité statique pour très hautes températures et faiblesdifférencesde pression réalisé selon la présente invention; la figure 2 est une vue en plan du joint d'étanchéité statique annulaire représenté sur la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe latérale du Joint d'étanchéité statique annulaires, cette coups étant faite par A-A de la figure 2; la figure 4 est une vue en perspective de la première spire (spire de départ) du Joint d'étanchéité statique annulai- re selon la présente invention; la figure 5 est une vue en coupepartielle par B-B de la figure 4 montrant en traits interrompus la déformation communiquée au ruban feuilleté par une action de compression axiale accompagnée d'une compression radiale dudit joint; la figure 6 montre schématiquement la machine utilisée pour laminer à froid et profiler préalablement le ruban feuilleté selon la présente invention; la figure 7 est une coupe par C-C de la figure 6 d'un détail de la machine de la figure 6; la figure 8 est une coupe schématique par D-D de la figure 6 d'un autre détail de la machine de la figure 6; et la figure 9 est une coupe schématique par E-E de la figure 6 d'un autre détail encore de la machine de la figure 6. En se référant aux figures on voit que les références 1 et 2 désignent, respectivement, deux pièces mécaniques qui sont appariées et qui sont soumises à un mouvement relatif mutuel par suite ddifférence de dilatation thermique. Dans les pièces 1 et 2 est formé un siège annulaire 3 destiné à loger, sous compression axiale, un joint d'étanchéité statique annulaire 4 pour très hautEttempératureSet faiblesdifférences de pression. Le joint 4 est formé par un ruban feuilleté en une matière métallique durcie à froid ayant une épaisseur de quelque dixième de millimètre, ce ruban,après avoir été profi- lé de manière à comporter, d'une part, le long de son axe lon- gitudinal une gorge 5 à contour de section droite semi-circu- laire et, d'autre part, deux ailes 6 et 7 coudées dans une direction s'éloignant de ladite gorge 5 de manière à former un V ouvert (comme on peut mieux le voir sur la figure 5),est enroulé sur lui-même en plusieurs spires(4dans l'exemple repré- senté).du diamètre voulu, le ruban ainsi profilé étant coudé de manière que le V ouvert formé par ses ailes ait sa face concave dirigée vers l'extérieur des spires, les gorges 5 des diverses spires enroulées étant encastrées les unes dans les autres. Les ailes 6 et 7 de la première spire formée sont, en outre, fixées aux ailes correspondantes 6' et 7' de la seconde spires en cours d'enroulement (comme on peut mieux le voir sur la figure 4) à l'aide de rivets 8 et 9 ou bien par soudage par points, ceci étant valable pour les ailes 6"' et 7"' de la dernière spire qui sont fixées mutuellement par des rivets 10 (voir figure 2) ou par soudage par point aux ailes correspondantes 6" et 7" de la spire immédiatement pré- cédente. La figure 5 montre clairement que le contour de sec- tion particulier du ruban qui forme le Joint 4 permet à celui- ci de se prêter à des déplacements considérables à la fois dans le sens axial et dans le sens radial. En effet, une action com- binée d'une compression axiale et d'une compression radiale du ruban tel que celle qui se produit lorsque l'on introduit le Joint 4 dans son logement 3 a pour effet que le ruban fléchit en prenant le profil représenté en traits interrompus sur la figure 5 en 11 et subit une déformation élastique axiale ha en même temps qu'une déformation élastique radiale Ar qui peut atteindre une valeur aussi élevée que 20% de la largeur du ruban. D'autre part, pour que l'enroulement des spires sui- vant le diamètre voulu puisse être favorisé, on cintre aussi préalablement au diamètre final voulu le ruban feuilleté,en matière métallique durcieà froid,profilé comme on l'a décrit ci-dessus. On effectue ce profilage et ce cintrage préa- lablesdu ruban par une seule opération de laminage à froid. Les figures 6 à 9 montrent schématiquement un machine qui convient pour atteindre les fins recherchées. Cette machine consiste essentiellement en une rangée longitudinale de deux rouleaux de guidage en regard 12 et 13 qui supportent respectivement (comme on peut mieux le voir sur la figure 7) le ruban 14 de matièlre métallique feuilletée durcieà froid se déroulant de la bobine d'alimentation 15 et qui agisseht sur les bords latéraux dudit ruban, le guident à travers un couple suivant de rouleaux de centrage, 16 et 17, qui sont disposés de façon superposée et qui sont poussés l'un contre l'autre dans la direction horizontale et adaptés pour former une petite rainure 18 le long de l'axe longitudinal du ruban 14. A cette fin, le rouleau 16 a une surface cylin- drique comportant une nervure 19 à mi-distance entre ses extrémités tandis que la surface du rouleau surjacent 17 est une image spéculaire exacte de celle du rouleau 16 (voir plus particulièrement la figure 8). Un second couple de rou- leaux de profilage 20 et 21 venant immédiatement à la suite est alors destiné à communiquer au ruban 14 sa forme finale de section droite, c'est-à-dire à forrmer la gorge semi-circu- laire 5 en coincidence avec la petite gorge 18 formée par les rouleaux de centrage 16 et 17 et à couder les ailes 6 et 7 du ruban 14 pour donner à ce dernier la forme d'un V ouvert. A cette fin, le rouleau de profilage 20 comporte deux surfaces tronconiques raccordées mutuellement par une nervure semi- circulaire 22 (comme on peut mieux le voir sur la figure 9) tandis quele rouleau de profilage 21 présente une finition de surface qui est l'image spéculaire exacte de la surface du rouleau 20. Enfin, deux couples suivants supplémentaires de rouleaux, 23-24 et 25-26, qui sont respectivement les contre- parties exactes du second couple de rouleaux 20-21, sont destinés à maintenir constant le contour de section droite. du ruban 14 tandis qu'un rouleau de poussée 27, disposé entre les deux couples de rouleaux précités, est poussé contre le ruban 14 avec une force réglable 28 de manière à couder ledit ruban. En faisant varier la valeur de cette force réglable 28, on modifie le rayon de courbure avec lequel le ruban profilé 14 sort du dernier couple de rouleau 25-26 de sorte que l'on peut courber le ruban profilé 14 préalablement sui- vant n'importe quel diamètre voulu. Il est bien entendu que la description quiprécède n'a été données qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être appor- tées dans le cadre de la présente invention. il REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité statique annulaire pour très haute températureset faible différence de pression, ce joint étant destiné à être intercalé à l'état chargé préalablement entre deux pièces mécaniques appariées soumLSesià un déplacement. mutuel relatif par suite d'unedflatation thermique différente, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un ruban feuilleté en matière métallique durci à froid qui est coudé préalablement et enroulé sur lui-même en plusieurs spires du diamètre voulu, la première et la dernière de ces spires étant fixées l'une à l'autre à l'aide de rivets ou bien par un sou- dage par points% ledit ruban étant profilé de manière à avoir la forme d'un V ouvert dont la face concave est dirigée vers l'extérieur desdites spires et dont la pointe s'étend vers l'arrière de manière à former un évidement analogue à une gorge ayant un contour sensiblement semi-circulaire. 2. Procédé pour fabriquer un joint d'étanchéité statique annulaire suivant la revendication 1, caraetérisé par le fait que ledit ruban feuilleté en matière métallique durcle à froid est préalablement coudé en fonction du diamètre voulu et profilé de manière à avoir la forme d'un V ouvert comportant un évidement semi-circulaire analogue à une gorge par une opération de profilage à froid au moyen de rouleaux, cette opération comprenant les phases consistant à faire passer ledit rouleau, déroulé d'une bobine d'alimentation et guidé latéralement par deux rouleaux de guidage, à travers un premier couple de rouleaux de centrage adaptés pour former une petite rainure analogue à une gorge le long de l'axe longitudinal, dudit ruban, puis à travers un second couple de rouleaux de profilage adaptés pour communiquer au ruban la forme finale de section droite, c'est-à-dire pour couder le ruban suivant un ccttour en forme de V ouvert et pour former un évidement semi-circulaire analogue à une gorge en coinciden- ce avec ladite petite rainure analogue à une gorge formée par ledit premier couple de rouleaux et, enfin, à travers deux couples supplémentaires de rouleaux qui sont les contre-parties exactes des rouleaux dudit second couple, un rouleau de pous- sée disposé entre les deux couples de rouleaux précités étant poussé contre le ruban avec une force réglable adaptée pour communiquer une courbure voulue audit ruban profilé.