Brevet FR2485678A1 — publié le 19811231

La présente invention se rapporte au procédé et au mécanisme pour contrôler la pression appliquée aux parties assurant l'étanchéité d'un arbre pour divers équipements qui reçoivent très précisément un arbre en rotation. Le procédé s'applique particulièrement à un dispositif tel que des pompes et des excavatrices fonctionnant dans une atmosphère sous pression comme par exemple dans l'eau ou dans un réservoir contenant un gaz ou un liquide sous pression qui y est introduit. En général, le type ci-dessus mentionné de disposi- tif est assemblé à la pression atmosphérique, et il est ensuite installé dans une atmosphère ou un fluide sous Dression comme de l'eau. Après installation, l'intérieur de l'équipement reçoit cette pression atmosphérique tandis que l'extérieur est exposé à une certaine pression, naturellement supérieure à la pression atmosphérique. Lorsque l'arbre en rotation s'etend hors de l'équipement par une partie assurant son étanchéité, cette partie assurant l'étanchéité de l'arbre reçoit la pression atmosphérique à l'intérieur et la pression externe à l'extérieur, produisant ainsi tune différence de pression. Ce phénomène se produit également quand deux chambres sous pression ayant entre elles une différence de pression, sont séparées par unze séparation, et que les parties assurant l'étanchéité de l'arbre disposées dans la sépara- tion subissent également une différence semblable de pression. Une telle différence de pression détériore les propriétés d'étanchéité des parties assurant l'étanchéité de l'arbre (comprenant des joints) à un point considérable, écourtant la durée de vie des joints. Comme mesure pour résoudre ce problème, on a proposé d'utiliser des joints d'une construction particulière ayant une résistance suffisante à la pression. Cependant, de tels joints sont extrêmement coûteux et rendent la structure de la partie assurant l'étanchéité de l'arbre, sur l'arbre en rotation, compliquée et de grande dimension. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé permettant d'éliminer les inconvénients ci- dessus, assurant ainsi l'effet d'étanchéité des parties assurant l'étanchéité sur un arbre en rotation dans tout gaz ou atmosphère sous pression. La présente invention a pour autre objet un mécanisme de contrôle de pression de construction simple, pouvant être efficacement utilisé dans le procédé ci-dessus décrit. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appara tront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe avant montrant le premier mode de réalisation o le procédé de contrôle de pression selon l'invention est appliqué à une pompe sous l'eau; - les figures 2 à 8 sont des vues illustrant un moyen typique de contrôle de pression utilisé dans le premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 9 est une vue en coupe avant montrant le second mode de réalisation de l'invention, o la pompe sous l'eau est pourvue d'un moyen indicateur; - les figures 10 à 13 sont des vues illustrant le fonctionnement du moyen indicateur ci-dessus; - la figure 14 est une vue en coupe agrandie montrant le troisième mode de réalisation de l'invention, o le procédé selon l'invention s'applique à une pompe de transport de fluide montée sur le sol; - la figure 15 est un schéma montrant la façon dont la pompe de transport de fluide fonctionne; et - la figure 16 est une vue en coupe agrandie montrant une modification du troisième mode de réalisation de l'invention, o le procédé selon l'invention s'applique à une pompe de transport de fluide pouvant être utilisée 248 5-6 78 dans l'eau. On expliquera maintenant un mode de réalisation préféré du procédé de contrôle de pression selon l'inventions Le preumer mode de réalisation sera décrit en se référant à la figure 1 o le repère 1 désigne une pompe sous l'eau et le repère 2 désigne un mécanisme de contrôle de pression pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de pression selon l'invention. En se référant généralement à la structure de la pompe 1, un moteur totalement imperméable à l'eau et immergé dans l'huile 3 comprend un arbre de sortie 5 qui s'étend vers le bas et auquel est fixé solidement un rotor. Le moteur 3 définit également une première chambre à huile 6. Le rotor 4 est enfermé rotatif et de façon concentrique dans un carter stationnaire 7, qui est supporté sur un lit d'eau par un étai de support 8. Un carter d'interconnexion 9 est prévu pour relier le moteur à huile 3 et le carter 7, et ce carter 9 définit une seconde chambre à huile 10. Des première et seconde parties 11 et 12 assurant l'étanchéité de l'arbre, sont prévues entre les première et seconde chambres à huile 6 et 10, et entre la chambre à huile 10 et le carter 7 respecti- vement. Une palette d'agitation 13 est fixée à l'extrémité a de l'arbre de sortie 5 s'étendant au-delà du rotor 4. Un coude 14 a une extrémité reliée à une sortie-d'évacua- tion du sable du- carter 7 et son autre extrémité est reliée à une ligne appropriée d'évacuation du sable (non représentée sur le dessin) qui transfère le sable, par exemple jusqu'à la terre pleine. Le repère 15 désigne un câble de puissance. Dans ce mode de réalisation, deux réservoirs 20 et 21 de contrôle de pression sont sensiblement disposés à proximité de la pompe sous l'eau 2, et ces réservoirs ont une extrémité en communication avec les première et seconde chambres à huile 6 et 10 respectivement, au moyen de tubes de communication 22 et 23. Ces réservoirs 20 et 21 transmettent la pression d'eau voisine aux deux chambres 6 24 3567 8 et 10 au moyen de l'utilisation d'un fluide sous pression qui y est contenu. On notera que tandis que le fluide sous pression utilisé dans ce mode de réalisation est de l'huile, un autre liquide ou un autre corps gazeux peut éventuelle- ment être utilisé selon des conditions telles que le but du travail, l'équipement mis en cause ou la zone de travail. Les réservoirs 20 et 21 utilisés dans ce mode de réalisation peuvent avoir toute forme ou construction. A titre d'exemple, des réservoirs typiques de contrôle de pression sont illustrés sur les figures 2 à 7. Sur les figures 2 et 3, les réservoirs 20 et 21 comprennent des manchons protecteurs 20a et 21a et des corps à membrane b et 21b ayant un volume variable, respectivement. Chacun des manchons protecteurs 20a et 21a est pourvu d'une entrée d'eau 24 à une extrémité distale, pour y introduire de l'eau. Les manchons 20a et 21a ont également une sortie de transmission de pression de l'eau à leur extrémité proximale, la sortie 25 permettant la communication entre la chambre des corps à membrane et les chambres à huile 6 et 10. Comme on peut le voir sur la figure 3, les corps à volume variable 20b et 21b peuvent être formés en une pièce. Comme on peut le voir sur les figures 4 et 5, les manchons protecteurs 20a et 21a peuvent comprendre des soufflets 20b et 21b ayant un volume variable au lieu des corps à membrane. Alternativement, les volumes des manchons protecteurs 20a et 21a peuvent être modifiés en y prévoyant des pistons alternatifs, comme on peut le comprendre en considérant la figure 6. Bien que les figures 7 et 8 ne soient pas en rapport direct avec ce mode de réalisation de la présente invention, ces figures montrent les cas o trois mécanismes de contrôle de pression 2 sont juxtaposés, et o le mécanisme de contrôle de pression 2 applique directement la pression extérieure sur les parties assurant l'étanchéité de l'arbre de sortie. La façon dont le procédé selon l'invention est mis en oeuvre par le mécanisme de contrôle de pression selon ce mode de réalisation sera décrite ci-après. La pompe sous l'eau 1 est d'abord plongée dans l'eau, et placée au fond de l'eau ou sur le sol. La pompe 1 reçoit alors une pression uniforme d'eau sur toute sa surface externe. La partie 12 assurant l'étanchéité de l'arbre reçoit également une pression semblable sur son côté externe. Selon ce mod de réalisation, cependant, le mécanisme de contrôle de pression 2 est également soumis à la pression d'eau entou- rant la pompe 1-et par conséquent cette pression d'eau est transmise aux chambres 6 et 10 par le fluide sous pression dans les tubes 22 et 23. Cela garantit qu'un équilibre de pression sera établi à la partie 11 assurant l'étanchéité de l'arbre disposée entre la première chambre à huile 6 et la seconde- chambre à huile 10 ainsi qu'à la partie 12 assurant l'étanchéité de l'arbre disposée entre la seconde chambre à huile 10 et le carter ds rotor 70 Quand le dispositif sous l'eau est utilisé en un emplacement profond, il peut etre nécessaire d'utiliser un corps à volume variable ayant un volume plus important à la pression atmosphérique, et- qu'une pression prédéter- minée supérieure à 1 atm, par exemple 2 à 3 bars soit appliquée à l'avance à l'intérieur du dispositif. Le procédé de controle de pression selon le mode de réalisation ci-dessus, présente les avantages qui suivent par rapport à lFart antérieur: (1) Un effet ferme d'étanchéité est maintenu dans une atmosphère sous pression sans aucun joint particulier qui conduit inévitablement à une complication des parties assurant l'étanchéité de l'arbre. (2) La présence d'une poussée ou force unilatérale ou excentrique sur les parties assurant l'étanchéité de l'arbre peut être évitée grâce à l'équilibre de pression, Par conséquent, les parties assurant l'étanchéité de l'arbre peuvent résister à une longue période d'utilisation, éliminant ainsi le remplacement fréquent. Cependant, dans le mode de réalisation ci-dessus} on a quelquefois observé qu'une légère quantité du fluide sous pression (liquide ou gaz) introduit dans la chambre interne ou la chambre à huile de l'équipement comme la pompe pouvait fuir avec l'écoulement du temps. Une telle fuite doit être compensée. On a également observé qu'une certaine quantité d'eau pouvait s'infiltrer dans les chambres à huile. Dans le second mode de réalisation est révélée une pompe sous l'eau pourvue d'un moyen indicateur pouvant facilement localiser une telle fuite, permettant ainsi au mécanisme de contrôle de pression de fonctionner constam- ment à une condition normale. Pour la simplicité, on ne donnera ici aucune explication détaillée de la construction et du mode de fonctionnement de la pompe et du mécanisme de contrôle de pression, car ils sont sensiblement les mêmes que ceux décrits dans le premier mode de réalisation. Comme on peut mieux le voir sur la figure 9, le moyen indicateur selon ce mode de réalisation comprend des tiges 30 et 31 dont les extrémités proximales sont fixées aux parties supérieures des corps à membrane à volume variable 20b et 21b et dont les extrémités distales traversent des entrées d'eau 240 et 250. On comprendra que le moyen indicateur peut être monté sur les corps à volume variable du type à soufflet et à piston des figures 4 à 6. En même temps que les tiges d'indication 30-et 31, le moyen indicateur comprend de plus des fenêtes calibrées et transparentes qui sont montées sur les pourtours des manchons protecteurs 20a et 21a en direction longitudinale, et par lesquellesles variations du volume des corps à volume variable 20b et 21b peuvent facilement être détectées. Le procédé de contrôle de pression mis en oeuvre en utilisant le mécanisme de contrôle-de pression équipé du moyen indicateur ci-dessus sera maintenant expliqué. La pompe sous l'eau l est d'abord plongée dans l'eau, et est placée au fond de l'eau ou sur le sol. La pompe 1 reçoit alors une pression constante d'eau sur toute sa surface. La partie 12 assurant l'étanchéité de l'arbre est également exposée à la pression de l'eau sur son côté externe. Cependant, selon l'invention, le mécanisme de contrôle de pression est également soumis à la pression d'eau par l'entrée d'eau 240 et cette pression d'eau est transmise aux chambres à huile 6 et 10 par le fluide sous pression dans les tubes 22 et 23. Cela garantit que les pressions appliquées aux côtés interne et externe des parties 11 et 12 assurant l'étanchéité de l'arbre seront bien équilibrées. Quand la pompe sous l'eau ne fonctionne pas ou qu'elle fonctionne en condition normale, les tiges d'indication 30 et 31 du moyen indicateur sont placées en une position normale telle que celle représentée sur la figure 10 ou 11. Cependant, quand il y a une diminution de la quantité d'huile d'étanchéité contenue dans la chambre 6 (condition anormale), ces tiges 30 et 31 prennent une position retirée représentée sur la figure 12 après le fonctionnement. Par ailleurs, l'infiltration d'eau dans la chambre interne (chambre à huile) de la pompe force les tiges à prendre une position étendue que l'on peut voir sur la figure 13 après le fonctionnement. De cette façon, la fuite d'huile d'étanchéité ou l'infiltration d'eau vers la chambre à.huile est facilement détectée en comparant les quantités de mouvement des tiges d'indication qui ont lieu dans les conditions anormale et normale, ce qui facilite la prise d'une mesure requise pour répondre à la situation. Quand un fluide tel.que de l'eau est transporté sur une hauteur importante d'élévation (H) et sur une longue distance (L) à la façon représentée sur la figure 15, on utilise une pompe de transport à forte pression d'évacuation. Du fait de sa forte pression d'évacuation qui est produite pendant le fonctionnement de la pompe cependant, l'extrémité externe des parties assurant l'étanchéité de l'arbre de sortie reçoivent inévitablement une contre-pression intensive, rendant ainsi nonsatisfaisant l'effet d'étanchéité des parties assurant l'étanchéité de l'arbre. Cette pression sollicitée produit également des dégâts sur les parties assurant l'étanchéiété de l'arbre. Le troisième mode de réalisation de l'invention est conçu pour résoudre les problèmes ci- dessus. La figure 14 montre le troisième mode de réalisation o le procédé selon l'invention est appliqué à une pompe de transport de fluide pouvant être utilisée sur terre. Sur le dessin, le repère 101 indique un corps de pompe et le repère 102 indique un mécanisme de transmission de pression d'évacuation qui est monté sur le corps de pompe 101 et est construit afin de transmettre une pression d'évacuation produite par l'entraînement du corps de pompe 101 jusqu'à l'intérieur de ce corps. En se référant maintenant à la structure du corps de pompe 101 choisi dans une grande variété de pompes pouvant s'appliquer au procédé selon ce&mode de réalisation, un moteur électrique 103 immergé dans l'huile est abrité dans un bâti 104 et ce moteur 103 définit une première chambre à huile 105. Le moteur 103 a un arbre horizontal de sortie 108 qui s'étend- vers le bas. Un rotor est monté fixement sur cette extension de l'arbre de sortie 108. Le rotor 107 est également concentriquement enfermé dans un carter 109 qui a un orifice 110 d'aspiration du fluide en son fond qui est dirigé en direction axiale et un orifice d'évacuation du fluide 111 sur sa paroi circon- férentielle, qui est dirigé en direction radiale. Un carter d'interconnexion 112 est prévu pour relier le moteur électrique 103 immergé dans l'huile et le carter 109 du rotor, et ce carter 112 définit une seconde chambre à huile 113. Une première partie 114 assurant l'étanchéité de l'arbre et une seconde partie 115 assurant l'étanchéité de l'arbre sont placées entre les première et seconde chambres à huile 105 et 113 et entre la seconde chambre à huile 113 et le carter 109, respectivement. Un coude 116 est adapté à être en communication avec l'orifice 111 dans le carter 109 du rotor. Un tube de communication 117 a une extrémité reliée au coude 116 et son autre extrémité est reliée à une ligne de transport de fluide (non représentée sur le dessin). Le mécanisme 102 de transmission de pression d'évacuation selon ce mode de réalisation est sensiblement disposé entre le tube de communication 117 et la seconde chambre à huile 113, et il comprend un réservoir de contrôle de pression 119 et un corps à volume variable 118 qui y est enfermée La chambre interne du réservoir 119 communique avec le tube de communication 117 tandis que l'intérieur du corps à volume variable 118 communique avec la seconde chambre à huile 113 au moyen d'un fluide sous pression souhaité tel que l'huile. Afin de détecter une fuite d'huile, un moyen indicateur 120 qui est virtuellement semblable à celui du second mode de réalisation, est monté sur le corps à volume variable 118. La pompe de transport de fluide de ce mode de réalisation fonctionne comme suit. Quand le moteur électrique 103 immergé dans l'huile est entralné, le rotor 117 tourne dans-le carter 109. Une certaine quantité d'eau aspirée par la rotation du rotor 107 à travers l'entrée d'aspiration 110 s'écoule dans le carter 109, d'o elle est pompée dans la ligne de transport de fluide par l'orifice d'évacuation 111, le coude 116 et le tube de communication 117. Dans tout le fonctionnement ci-dessus, le rotor 107 produit une forte pression d'évacuation qui, à son tour, applique une poussée intensive au rotor 107 et à la partie 115 assurant l'étanchéité de l'arbre. Dans ce mode de réalisation cependant, la pression d'évacuation est également transmise à la seconde chambre à huile 113 par le tube de communica- tion 117 et le réservoir 119 de contrôle de pression, ainsi la poussée cidessus mentionnée est sensiblement annulée par la pression ainsi transmise. En d'autres termes, les pressions appliquées aux extrémités interne et externe de la partie 115 assurant l'étanchéité de l'arbre sont équilibrées, évitant ainsi une dégradation ou une détérioration de la partie 115 assurant l'étanchéité de l'arbre. En conséquence, la pompe de transport de fluide selon ce mode de réalisation peut transmettre continuelle- ment le fluide en un emplacement éloigné à une forte pression d'évacuation, sans subir aucune dégradation de la partie 115 assurant l'étanchéité de l'arbre. En se référant à la figure 16, on peut voir une modification du troisième mode de réalisation o le procédé selon l'invention s'applique à une pompe adaptée à une utilisation dans l'eau. Cette modification est conçue pour rendre efficace l'utilisation d'une pression d'eau qui règne à une profondeur donnée en plus de la pression d'évacuation ci-dessus mentionnée pour obtenir l'équilibre de pression. Dans cette modification, quand la pompe est installée dans de l'eau à une faible profon- deur, une vanne 131 prévue en-dessous diun second réservoir de contrôle de pression 130 est fermée pour transmettre la pression d'évacuation produite par la rotation du rotor 107 à l'intérieur de la seconde chambre à huile 113 par l'orifice d'évacuation 111, le coude 116, le tube de communication 117, un premier réservoir de contrôle de pression 132 et la vanne 133. En conséquence, l'équilibre de pression est établi entre les extrémités interne et externe de la partie assurant l'étanchéité de l'arbre. Quand la pompe est placée en un emplacement profond, par ailleurs, la vanne 133 prévue en-dessous du premier réservoir de contrôle de pression 132 est fermée et la vanne 131 est ouverte pour transmettre la pression d'eau qui règne autour de la pompe à l'intérieur de la seconde chambre à huile 113 par le second réservoir de contrôle de pression 130 et la vanne 133, ainsi les pressions appliquées sur la partie 115 assurant l'étan- chéité de l'arbre sont également équilibrées. De cette façon, selon la profondeur de la position o la pompe est installée, la modification permet d'utiliser soit la pression d'eau ou la pression d'évacuation du fluide pour obtenir l'équilibre de pression à cette position, favorisant ainsi la flexibilité de l'usage de la pompe. Le répère 134 désigne une palette d'agitation montée fixement sur une extrémité en extension de l'arbre de sortie 108. Bien que les pompes de ce mode de réalisation aient été décrites comme n'appliquant la pression d'évacuation qu' à la seconde chambre à huile 113, la pression d'évacuation peut être de même transmise à la première chambre à huile, augmentant ainsi encore la durée de vie de l'ensemble des parties assurant l'étanchéité de l'arbre (y compris les joints). La pompe de transport de fluide présentant le procédé de contrôle de pression interne selon ce mode de réalisation présente les avantages qui suivent par rapport à l'art antérieur: (1) Les pressions appliquées aux parties assurant l'étanchéité de l'arbre sont faciles à équilibrer par application de la pression d'évacuation sur la chambre interne de la pompe par rapport à une contre-pression produite par le rotor. Par conséquent, toute dégradation des parties assurant l'étanchéité de l'arbre, en particulier des joints de l'arbreest évitée, ce qui permet ainsi de prolonger la durée de vie de la pompe; et (2) Aucune force ou poussée sollicitée ou unilatérale n'est appliquée aux parties assurant l'étanchéité de l'arbre. Par conséquent, la pompe peut fonctionner régulièrement sans subir aucune dégradation des parties assurant l'étanchéité de l'arbre. 24o5678 R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Procédé pour contrôler la pression aux parties assurant l'étanchéité de l'arbre d'un dispositif, caractérisé en ce qu'une pression égale à la pression extérieure autour du dispositif est exercée soit à une extrémité, aux deux extrémités ou à l'intérieur desdites parties assurant l'étanchéité de l'arbre afin d'équilibrer les pressions appliquées auxdites parties assurant l'étanchéité de l'arbre. 2.- Mécanisme pour contrôler la pression à des parties assurant l'étanchéité d'un arbre d'un dispositif, caractérisé en ce qu'il comprend un manchon protecteur (20a, 21a) et un corps à volume variable (20b, 21b) qui y est abrité de façon étanche à l'eau ou à l'air, ledit manchon protecteur étant en communication avec une pression externe autour dudit dispositif par un premier fluide sous pression, et ledit corps à volume variable étant en communication avec l'intérieur dudit dispositif par un second fluide sous pression. 3.- Mécanisme selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps à volume variable précité est un tube flexible choisi dans le groupe de tubes flexibles consistant en organe creux en caoutchouc, soufflet membrane et du type à piston. 4.- Mécanisme selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un moyen indicateur (30, 31), monté sur le corps à volume variable précité pour détecter un changement du volume dudit corps, ledit changement étant provoqué par la sortie du second fluide vers le premier ou l'entrée du premier fluide vers le second. 5.- Mécanisme selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une pression prédéterminée supérieure à 1 atm est appliquée à l'avance à l'intérieur du dispositif. 6.- Pompe de transport de fluide, caractérisée en ce qu'elle comprend un moteur et un carter de rotor (7) ayant un mécanisme interne de contrôle de pression pouvant appliquer une pression d'évacuation de la proximité d'un orifice d'évacuation dans un corps de pompe à la chambre interne dudit moteur (3).