Brevet FR2497908A1 — publié le 19820716

Bague à lanterne gour cylindre adapté pour recevoir un arbre Dans divers appareils tels que des pompes soufflantes, malaxeurs ou autres permettant d'effectuer un traitement où existe un arbre rotatif auquel sont associés des dispositifs impulseurs permettant de déplacer un fluide, il est nécessaire de prévoir des joints autour de l'arbre pour éviter des fuites de fluide autour de l'organe mobile. Des joints sont particulièrement nécessaires quand le dispositif traite des fluides coûteux ou dangereux, ou quand le fluide est traité à pression élevée. On a en général recours à trois types de joints habituels, connus dans l'art, et qui sont les presse-étoupe ou boîtes à garniture, les joints mécaniques et les joints à labyrinthe. Aucun de ces dispositifs n'empêche totalement le liquide de passer, mais ils permettent de minimiser ou de contrôler les fuites. Dans d'autres dispositifs où il n'est pas possible de tolérer la fuite du fluide en traitement, on peut avoir recours à un fluide neutre que l'on envoit dans le joint et qui s'écoule dans l'appareil. Tout en pouvant être appliquée avec avantage, dans une certaine mesure, à tous les dispositifs de joints qui viennent d'être mentionnés, la présente invention est particulièrement utile dans le domaine des boîtes à garniture qui forment un joint autour d'un arbre rotatif, ou dans certains cas autour d'un arbre effectuant un mouvement de va-et-vient. Généralement, la boîte à garniture est constituée par une chambre formée dans un organe stationnaire entourant l'arbre. Un espace annulaire par lequel passe l'arbre est formé entre l'arbre et la paroi de la chambre, et l'espace annulaire est prévu pour recevoir la garniture qui peut être constituée par de la corde ou des bagues en un matériau inerte tel que de l'amiante contenant un lubrifiant comme le graphite.La garniture, quand elle est fortement comprimée autour de l'arbre, constitue une barrière au passage du fluide dans la boîte à garniture tout en permettant à l'arbre de tourner ou d'effectuer son mouvement de va-et-vient. Dans de nombreuses applications, la garniture est maintenue en position de scellement par une bague suiveuse, ou fouloir, qui est progressivement pressée dans la boîte à garniture par un chapeau à bride ou par un écrou à garniture à mesure que la garniture s'use, de manière à maintenir la compression désirée pour la garniture. L'arbre doit posséder une surface lisse pour qu'il n'use pas la garniture mais, même ainsi, la pression exercée par la garniture augmente considérablement la force nécessaire pour faire tourner l'arbre ou pour le déplacer de toute autre manière.Même quand elle est dans des conditions idéales, une boite à garniture n'arrête pas des fuites du fluide, et en fait le fonctionnement correct de la boîte à garniture est facilité dans de nombreux cas par une légère possibilité de fuite par la boite, en particulier quand le fluide que l'on laisse fuire, qu'il s'agisse du fluide utilisé dans l'appareil ou d'un fluide introduit exprès dans la boite à garniture pour qu'il pénètre dans l'appareil, est un bon lubrifiant. Dans les applications où il est souhaitable d'éviter toute perte de fluide et où on introduit un fluide neutre dans la boite à garniture, on peut avantageusement utiliser un fouloir à lanterne dans la boîte. Habituellement, le fouloir à lanterne est constitué par une bague adaptée pour recevoir l'arbre à l'endroit où l'ensemble arbre et fouloir à lanterne est reçu dans la chambre de la boîte à garniture, avec une garniture sur les deux côtés du fouloir à lanterne. Dans certaines dispositions connues, le fouloir à lanterne a une forme en section transversale en "H", avec des trous percés dans la barre de 1"'H" dans une direction perpendiculaire à l'axe de l'arbre, la périphérie interne de la bague recevant l'arbre et la périphérie externe de la bague étant en contact avec la surface interne de la boite à garniture. La paroi de la chambre de la boite à garniture porte une conduite qui permet le passage du fluide en direction de la bague à lanterne ou en provenance de celleci. Par exemple, on peut envoyer un fluide neutre à la bague à lanterne de manière qu'il s'écoule dans les deux sens le long de l'arbre en partant de la bague à lanterne et en traversant la garniture.En variante et dans certaines applications, on fait le vide dans la conduite de la boite du presse-étoupe pour en éliminer le fluide qui s'écoule vers la bague à lanterne. On utilise également une bague à lanterne pour fournir un accès à un fluide utilisé pour éloigner des particules d'abrasif de la boite à garniture, les entraîner à l'intérieur de l'appareil et éviter que les particules atteignent la garniture où elles détruiraient cette garniture et/ou endommageraient l'arbre. Le fluide qui est introduit au moyen d'une bague à lanterne est également utile pour refroidir l'arbre et la garniture lors du fonctionnement du dispositif associé à l'arbre. Dans les actuelles bagues à lanterne telles qu'elles ont été décrites et illustrées précédemment dans le brevet US 1 830 286 au nom de Moore, le fluide introduit dans le fouloir à lanterne passe par les trous pratiqués dans la barre de la bague et de là à la fois vers l'intérieur et vers l'extérieur de la bague à lanterne de manière à s'écouler en partie vers l'avant et éviter la pénétration du fluide du traitement et de particules abrasives dans la boite à garniture, et en partie vers l'arrière pour se perdre à l'arrière de la boite à garniture. Le fluide est en général envoyé dans le fouloir à lanterne à une pression élevée, ce qui fait que la perte de fluide à l'arrière de la boite à garniture représente aussi bien une perte provenant de la valeur du fluide qu'une perte provenant de l'énergie nécessaire pour envoyer le fluide dans la bague à lanterne.Jusqu'ici, pour essayer de minimiser cette perte, on a serré l'écrou ou presse-garniture dans toute la mesure possible permettant un fonctionnement acceptable. Cependant, une plus grande compression de la garniture a naturellement pour conséquence la génération d'une chaleur de friction plus importante et une plus grande probabilité de dégâts occasionnés à l'arbre et à la garniture. Jusqu'ici, on n'a proposé aucune bague à lanterne permettant de maximiser le courant du fluide dans une direction partant de la bague à lanterne tout en réduisant sélectivement le fluide partant de la bague et s'écoulant le long de l'arbre en direction opposée, sans compression excessive de la garniture. La présente invention propose une bague å lanterne pouvant être utilisée par exemple dans une boîte à garniture où sont prévus des moyens pour diriger sélectivement et de façon prédominante le courant de fluide admis dans la chambre de la bague à lanterne de façon prédominante dans une direction choisie le long de l'arbre. De plus, l'utilisation de bagues à lanterne selon l'invention réduit de façon significative la quantité totale de fluide de balayage nécessaire au fonctionnement satisfaisant de la boîte à garniture du fait du débit réduit dans une direction, et, dans la plupart des cas, permet de réduire la compression de la garniture; par voie de consequence, il y a réduction de l'élévation de la température et de la probabilité de dégats ou d'écorchures infligés à l'arbre. La durée de vie effective de la garniture s'en trouve augmentée. La présente invention crée également un dispositif utile quand le but principal du fouloir à lanterne est de refroidir la garniture, et quand il est souhaitable de minimiser la quantité de liquide introduite dans l'appareil soit du fait de la nature du fluide en traitement, soit simplement parce que l'addition de fluide additionnel dans l'appareil augmenterait simplement la quantité de fluide à traiter par la suite, ce dispositif se caractérisant en ce que le courant principal de fluide partant du fouloir à lanterne est dirigé le long de l'arbre vers l'atmosphère. En bref, la présente invention vise un dispositif à bague à lanterne destiné à être utilisé dans un joint à fluide, y compris les boites à garniture utilisées pour éviter la fuite de fluide autour d'arbres rotatifs. Les bagues à lanterne proposées par la présente invention comprennent de façon génerale: une bague comportant des premier et second côtés espacés, pourvus respectivement de premières et secondes ouvertures centrales, ainsi qu'une surface périphérique interne et une surface périphérique externe permettant à la bague d'être reçue dans une chambre cylindrique avec son axe longitudinal parallele à l'axe longitudinal du cylindre; des premier et second épaulements de longueur généralement égale et s'étendant radialement vers l'extérieur à partir et autour d'une partie de la périphérie de la surface externe de la bague, disposés à une certaine distance mutuelle le long de l'axe longitudinal de la bague de manière que la périphérie externe des premier et second épaulements soit en contact avec la surface interne de la chambre cylindrique, une première chambre de forme annulaire étant de ce fait définie autour d'une partie de la surface externe de la bague entre la surface externe de la bague, la surface interne du cylindre et les premier et second épaulements; une première gorge périphérique interne de largeur sélectionnée ayant un diamètre maximal plus important que le diamètre de la première ouverture de la bague étant prévue autour de la surface interne de la bague adjacente à la première ouverture dans la bague, le diamètre de la première ouverture étant choisi pour recevoir un arbre tournant à l'intérieur; un épaulement s'étendant radialement à l'intérieur, de profondeur choisie, disposé à l'intérieur de ladite bague dans une position adjacente au rebord interne de ladite première gorge et s'étendant autour d'une partie de la périphérie interne de la bague pour définir une ouverture centrale dans cette bague de diamètre inférieur au diamètre de la première ouverture et adaptée pour recevoir l'arbre de façon rotative, le diamètre interne de la bague entre l'épaulement et la seconde ouverture de la bague étant plus important que le diamètre de l'ouverture définie par l'épaulement qui est également adapté pour recevoir l'arbre de façon rotative; des premières ouvertures communiquant avec la première chambre et la gorge et des secondes ouvertures communiquant avec la première chambre et la surface interne de la bague entre l'épaulement et le second côté. Il va de soi que d'autres dispositifs selon la présente invention apparaîtront à l'homme de l'art après lecture de la description donnée ci-après. Si on se reporte au dessin qui représente un exemple d'un dispositif appartenant au champ d'application de 1 'invention: la fig. 1 est une vue en perspective partiellement en coupe d'un exemple d'une bague à lanterne selon l'invention, et la fig. 2 est une vue en coupe d'une boite à garniture représentant une application de la bague à lanterne de la fig. 1. Si on se réfère d'abord à la fig. 1, la bague à lanterne 1, réalisée par exemple en matière plastique ou en métal, est définie principalement par une paroi cylindrique 2 et des épaulements 3 et 4 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la paroi 2 sur une distance généralement égale et sélectionnée, en relation d'espacement mutuel le long de la paroi 2 pour définir une canalisation cylindrique. Si on considère ensuite la paroi interne de la bague 1, une gorge 11 est constitué dans la paroitnterne 40 qui est adjacente au premier côté 5 de la bague 1 et elle est définie par des parois 7 et 8 disposées en oblique vers l'extérieur et se coupant en formant une ligne d'intersection lia en "V", le rayon de la gorge étant représenté par la flèche 6D. Une ouverture de la bague 1 est définie par une lèvre 9 prévue avantageusement sur le côté 5, comme le montre la figure. Par référence avec un axe longitudinal 6, le rayon interne de la lèvre 9 est représenté par la ligne 6E. Sur le rebord interne de la paroi 7 est prevu un épaulement 12 dirigé vers l'intérieur et s'étendant vers l'intérieur de la bague 1 sur une distance prédéterminée, comme représenté, le rayon interne de l'épaulement 12 étant indiqué par la ligne 6B qui représente le rayon. Le rayon 6B, dans la plupart des applications, est le plus petit de tous les rayons et détermine un jeu minimal avec l'arbre qui est associé à la bague. Comme le montre la fig. 1, un segment de paroi interne 13 du rayon 6A qui est plus important que le rayon 6B est prévu dans la partie de la bague 1 située entre l'épaule- ment 12 et le second côte 14 de la bague t. Selon la présente invention, des ouvertures 16 de diamètre sélectionné sont prévues à une certaine distance les unes des autres autour de la bague 1 pour communiquer avec la surface 2 et avec la gorge définie par les sections de paroi 7 et 8, chaque ouverture 16 comprenant une sortie 17A formant un angle sélectionné 17B avec un axe transversal 17C de la bague 1, de manière que l'axe 17A de chaque ouverture 16 soit avantageusement dirigé en direction du côté 5 de la bague 1. De même, des ouvertures 18 de diamètre sélectionné sont prévues à une certaine distance les unes des autres autour de la bague 1 pour communiquer avec la surface 13, l'axe 19C de chaque ouverture formant un angle sélectionné 19B avec un axe transversal 19A de la bague 1. Si on se réfère maintenant à la fig. 2 qui représente un exemple d'application de la bague 1 dans une une boite à garniture 22 cylindrique, la boite à garniture est prévue pour constituer un joint pour un arbre 21 traversant une paroi 24, telle qu'un carter de pompe où l'extrémité I de l'arbre 21 est reliée à un dispositif impulseur, ou lorsque cette paroi 24 est la paroi d'un réservoir et l'extrémité I de l'arbre 21 peut être reliée à la lame d'un malaxeur. L'arbre 21 traverse la boite à garniture 22 sur sa longueur et l'ouverture 23 de la paroi 24. L'arbre 21 est reçu dans la bague 1, comme représenté, cette bague 1 étant disposée dans la chambre définie par la boite à garniture 22 et le diamètre des épaulements 3 et 4 ayant été sélectionné pour que ces épaulements viennent en engagement peu serré avec la surface interne 41 de la botte à garniture 22. Comme le montre la figure, la bague 1 est disposée approximativement au centre de l'axe longitudinal de la boite à garniture 22 et des bagues à garniture internes 24A sont disposées de façon continue entre la bague 1 et une paroi terminale conique 26 de la boîte à garniture 22 alors que des bagues à garniture externes 24B sont prévues entre le bague 1 et le côté externe de la boite à garniture 22. On notera que dans l'exemple représenté, la compression appliquée à la garniture presse la bague de garniture interne 24C contre la paroi conique 26 de la boîte à garniture 22, ce qui sollicite la bague radialement vers l'intérieur en direction de l'arbre 21. Avantageusement, la bague à lanterne selon la présente invention permet de réaliser un joint étanche tout en maintenant un taux de compression réduit de la garniture, ce qui permet de réduire la force latérale appliquée à l'organe rotatif dans des dispositifs tels que celui représenté sur la fig. 2. Dans l'exemple représenté, cn prévoit un fouloir 27 pourvu d'une ouverture 42 destine à recevoir l'arbre rotatif 21. Le fouloir27 est prévu pour ere reçu dans une extrémité ouverte 28 de la boite à garniture 22 de manière qu'il puisse se déplacer longitudinalement et que l'extré- mité interne du fouloir 27 vienne coopérer avec les bagues de garniture 24A et 24B et les compriment en déplaçant longitudinalement les bagues 24B le long de l'arbre 21. Le fouloir 27 est pourvu d'une collerette ajourée 29 dont les ouvertures coincident avec celles d'une collerette 31 de la boîte à garniture 22, ouvertures dans lesquelles sont passées des dispositifs de fixation tels que des boulons et écrous 32 et 33 de manière que le serrage des écrous 33 amène le fouloir 27 à comprimer les bagues de garniture 24A et 24B. Une entrée de fluide telle qu'une ouverture filetée 34 est prévue dans la paroi latérale de la boîte à garniture 22, une conduite 36 étant fixée à celle-ci et communiquant avec elle, par exemple par des filetages associés, pour admettre un courant de fluide sélectionné 38 dans une chambre annulaire 37 définie entre les épaulements 3 et 4, la paroi interne de la bote à garniture 22 et la surface 2 de la bague 1. Le fluide sort de la chambre 37 par les conduites 18 pour parvenir dans la chambre annulaire 39 définie entre la surface 13 de la bague 1 et la surface externe de l'arbre 21, et jusqu'aux bagues de garniture externes 24b.De même, le fluide passe par les conduites 16 pour parvenir dans la chambre annulaire définie entre les parois latérales 7 et 8 et la surface de l'arbre 21, et il s'écoule vers les bagues de garniture internes 24A en passant par l'espace annulaire situé entre la livre 9 et l'arbre 21. Bien que cela ne soit pas toujours nécessaire, il est utile pour certaines applications que les conduites 16 et 18 soient inclinées par rapport à l'axe transversal de la bague 1 dans la direction respective de l'écoulement des courants de fluide de manière que le fluide soit correctement dirigé lorsqu'il sort des conduites respectives pour réduire les turbulences du fluide et permettre d'obtenir une plus grande fiabilité et un meilleur contrôle du débit. Additionnellement, les parois 7 et 8 sont inclinées pour déterminer une paroi latérale de configuration en "V", comme le montre la figure, pour permettre avantageusement au courant de fluide d'être dirigé vers l'ouverture annulaire située entre la bague 9 et l'arbre 21, ce qui fait que l'énergie cinétique aussi bien que l'énergie statique du courant de fluide sont utilisées pour assurer un débit uniforme et tel qu'on le souhaite par les ouvertures. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le diamètre des ouvertures 16 et 18 qui laissent passer le fluide vers les garnitures 24A et 24B peut être dimensionné en fonction du rapport relatif du débit désiré dans chaque direction, ce rapport étant par exemple de 3 : 1. Dans l'exemple représenté, le diamètre des conduites 16 est plus important que le diamètre des conduites 18, ce qui permet d'envoyer un plus grand débit à la garniture 24A. Il est clair que les débits relatifs dépendent également des jeux relatifs entre la lèvre 9 et la surface 13 d'une part et l'arbre 21 d'autre part. On verra que dans l'exemple représenté sur la fig. 2 la bague 1 est disposee de manière à déterminer un courant principal de fluide vers les bagues de garniture 24A et la structure dont fait partie la paroi 26. On verra qu'en inversant la bague 1, on peut diriger le courant principal vers les bagues de garniture 24B et l'atmosphère par l'intermédiaire du fouloir 27. Comme mentionné précédemment et selon une autre caractéristique de l'invention, les courants relatifs du fluide sont également déterminés par le jeu relatif existant entre la bague 9 et la surface 13 d'une part et l'arbre 21 d'autre part. Le diamètre interne de l'épaulement 12 est également réduit dans la mesure du possible pour réduire le courant du fluide qui passe par cet épaulement et assurer le courant relatif désiré à partir de chaque extrémité de la bague 1. Il va de soi que d'autres dispositifs faisant partie du champ d'application de l'invention apparaîtront à l'homme de l'art après lecture de la description faite ici. REVENDICATIONS 1 - Bague à lanterne destinée à dtre utilisée dans un cylindre adapté pour recevoir un arbre, l'arbre pouvant se déplacer dans le cylindre, étant disposé à une certaine distance des parois latérales du cylindre et son axe longitudinal étant parallèle à l'axe longitudinal du cylindre pour définir une chambre à garniture annulaire à l'intérieur du cylindre, caractérisée en ce qu'elle comprend a) une bague (l) pourvue d'une surface externe (2), d'une surface interne (40) et de première (5) et seconde (14) parois latérales espacées axialement, de diamètre externe sélectionné inférieur au diamètre interne du cylindre (22) dont la surface interne possède un diamètre supérieur au diamètre externe de l'arbre (21) et qui est adapté pour recevoir l'arbre (21) et maintenir la bague (l) en alignement sur l'arbre (21), une première gorge (11) de diamètre (6D) sélectionné étant pratiquée dans la surface interne (40) de la bague qui est adjacente à la première paroi latérale (5), une lèvre (9) de diamètre (6E) sélectionné et supérieur au diamètre de l'arbre, prévue entre ladite gorge (11) et ladite première paroi latérale (5), ddfinissant une première ouverture dans ladite bague b) des premier (3) et second (4) épaulements d'égale longueur et s'étendant parallèlement et à une certaine distance l'un de l'autre, radialement vers l'extérieur et autour d'une partie de la surface externe (2) de la bague (1) de manière qu'une partie de la périphérie externe des premier (3) et second (4) épaulements soit en contact avec la surface interne (41) du cylindre (22), ce qui définit une première chambre annulaire (37) au moyen des premier (3) et second (4) épaulements, de la surface interne (41) du cylindre (22) et de la surface externe (2) de la bague c) un épaulement interne (12) s'étendant radialement vers l'intérieur, de profondeur sélectionnée, situé à l'intérieur de ladite bague (1) entre le rebord interne de ladite première gorge (11) et de ladite seconde paroi latérale (14), et s'étendant autour d'une partie de la périphérie interne de la bague pour définir une ouverture centrale dans cette bague, de diamètre (6B) plus important que le diamètre de l'arbre (21) et adaptée pour recevoir ledit arbre (21) d) au moins une première conduite (16) communiquant avec ladite gorge (11) et ladite première chambre an annulaire (57), destinées au passage du fluide entre des ; et e) au moins une seconde conduite (18) communiquant avec la partie (13) de la surface intente (40) te ladite bague (1) entre ledit épaulement interne (12) et ladite chambre interne annulaire (37). 2 - Bague à lanterne selon 9 revendication 1, carac térisée en ce que le diamètre de @ adite première conduite (16) es-t plus important que le diaLètre de ladite seconde conduite (18). 3 - Bague à lanterne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première conduite (16) s'étend le long d'un axe (17A) formant un angle aigu (17B) par rapport à un plan transversal de la bague (1) en direction du premier coté (5) de la bague 11) 4 - Bague à lanterne selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la seconde conduite (18) traverse ladite bague (1) de la première chambre annulaire (37) à la surface interne (13) de la bague entre ledit épaulement inter- ne (12j et ledit second c8té t14) et s'étend le lorig d'un axe t19C) en formant un angle aigu (19B) par rapport à un axe transversal (19A) de ladite bague en direction de ladite seconde paroi latérale (14). 5 - Bague à lanterne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre (6B) d ladite ouverture centrale est inférieur au diamètre (6E) de ladite première ouverture. 6 - Bague à lanterne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la gorge (11) a une forme en section transversale en "V". 7 - Bague à lanterne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre f de ladite ouverture centrale est inférieur au diamètre (6A) de la surface interne (13) de ladite bague (1) entre ledit épaulement interne (12) et ledit second c8té (14).