Brevet FR2489464A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne des joints mécani- ques d'étanchéité frontale et plus particulièrement des joints mécaniques d'étanchéité frontale comportant un soufflet élas- tique flexible. Une forme de joint mécanique d'étanchéité frontale servant à établir un joint étanche entre deux organes de ma- chine pouvant tourner l'un par rapport à l'autre comprend un premier élément d'étanchéité frontale qui est fixé d'une ma- nière étanche au fluide sur un desdits organes et un second élément d'étanchéité frontale comportant une face d'étanché- ité qui est appliquée contre une face d'étanchéité opposée du premier élément d'étanchéité frontale, le second élément d'é- tanchéité frontale étant fixé sur l'autre organe par l'inter- médiaire d'un soufflet élastique flexible. Dans cette forme de joint, le soufflet sert à établir une étanchéité entre le se- cond élément d'étanchéité frontale et son organe associé ain- si qu'à exercer la charge axiale nécessaire pour appliquer le second élément d'étanchéité frontale en contact étanche avec le premier élément d'étanchéité frontale. En fonctionnement, le soufflet est soumis à une dif- férence de pression entre ses parois; par conséquent non seu- lement le soufflet doit être capable d'exercer la charge ap- propriée sur les éléments d'étanchéité frontale mais il doit également pouvoir résister aux différences de pression aux- quelles il est soumis. En outre, à mesure que les éléments d'- étanchéité frontale s'usent, le soufflet doit être capable de s'allonger et d'exercer,pendant la durée de service du joint d'étanchéité,une charge comprise entre certaines limites. Le soufflet doit donc être formé d'un matériau d'une résistance et épaisseur suffisantes pour résister à la différence de pres- sion, tout en étant suffisamment flexible pour permettre le mouvement axial nécessaire du fait de l'usure, tout en conser- vant la poussée axiale requise. Une méthode permettant d'obtenir ce résultat consis- te à produire un soufflet par soudage de plusieurs disques an- nulaires, des paires alternées de disques étant soudées ensem- ble sur leurs périphéries intérieure et extérieure de maniè- re à former une série d'ondulations. La fabrication de cet- te forme de soufflet correspond cependant à un processus long et coûteux. En outre le "diamètre d'équilibre hydraulique" du soufflet soudé varie en fonction de la différence de pres- sion s'exerçant entre ses parois et l'ensemble constitué par le soufflet et l'élément d'étanchéité frontale doit absor- ber cette variation en vue de fournir un joint d'étanchéité qui fonctionne de façon satisfaisante à toutes les pressions différentielles auxquelles il est soumis. Un mode peu coûteux de fabrication d'un soufflet consiste à former des ondulations dans un tube à paroi mince. Un soufflet de ce type, dénommé ci-après "soufflet profilé", présente l'avantage que le "diamètre d'équilibre hydraulique" est sensiblement constant et que les restrictions à la réali- sation de l'ensemble soufflet-élément d'étanchéité frontale ne sont donc pas aussi grandes qu'avec les soufflets soudés. Malheureusement, avec des soufflets profilés, la flexibilité et la résistance à la pression correspondent à des conditions contradictoires. Il en résulte qu'il n'a pas été possible de réaliser un soufflet profilé ayant une capacité de résistance à la pression suffisamment grande tout en é- tant suffisamment flexible pour produire la charge frontale né- cessaire sans être d'une longueur inacceptable. Conformément à la présente invention, un joint d'é- tanchéité frontale mécanique servant à établir une étanchéité entre deux organes de machine pouvant tourner l'un par rapport à l'autre et qui est soumis en service à une pression diffé- rentielle, comprend un premier élément d'étanchéité frontale qui est fixé d'une manière étanche aux fluides sur un desdits organes et qui comporte une face d'étanchéité, un second élé- ment d'étanchéité frontale comportant une face d'étanchéité qui est appliquée contre la face d'étanchéité du premier élé- ment d'étanchéité frontale, le second élément d'étanchéité frontale étant fixé sur l'autre organe par l'intermédiaire d'un soufflet profilé élastique et flexible qui sert à assu- rer l'étanchéité du second élément d'étanchéité frontale par rapport audit autre organe, ledit soufflet comportant un cer- J tain nombre d'ondulations, les couronnes des ondulations dirigées vers le côté haute-pression du joint ayant un plus grand rayon de courbure que les couronnes des ondulations diri- gées vers le côté basse-pression du joint. Avec un soufflet profilé selon la présente invention, il est possible de réaliser le soufflet en une matière plus mince qu'un soufflet profilé de configuration symétrique con- ventionnelle, et qui résiste à la même pression différentiel- le. En conséquence, pour une pression différentielle donnée, la présente invention permet de fournir un soufflet d'une grande flexibilité de manière à former un soufflet profilé ayant des dimensions, une capacité de pression et une flexi- bilité acceptables pour un joint d'étanchéité frontale. In- versement, le soufflet selon l'invention, qui a une flexibi- lité semblable à celle d'un soufflet de forme symétrique clas- sique, présente une plus grande capacité de pression. On peut obtenir des améliorations importantes de la flexibilité ou de la capacité de pression des soufflets se- lon la présente invention en utilisant des rapports égaux ou supérieurs à 3/2, entre les rayons des couronnes des ondula- tions qui sont dirigées vers le côté haute pression du souf- flet et les rayons des couronnes des ondulations dirigées vers le côté basse pression du soufflet. Il est cependant préféra- ble d'utiliser des rapports compris entre 2: 1 et 6: 1. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description ci-après, donnée à titre d'ex- emple non limitatif, en référenceau dessin annexé qui représen- te schématiquement une section droite d'un joint mécanique d'étanchéité frontale conforme à la présente invention. Comme on le voit au dessin, un joint mécanique d'é- tanchéité frontale entre un arbre tournant 10 et un carter 11, par exemple d'un ensemble de pompe, comprend un premier élément annulaire d'étanchéité ou siège 12 qui est retenu dans un évidement ménagé dans le carter 11, l'étanchéité y étant assuréepar l'intermédiaire d'une bague torique 13 en matière élastomère. La face d'étanchéité 14 d'un élément annulaire d'é- tanchéité frontale 15 est maintenue en contact étanche avec le siège 12 par l'intermédiaire d'un soufflet métallique pro- filé 16, qui est fixé sur une bague 17 montée sur l'arbre 10 au moyen d'une série de vis cylindriques 23 réparties cir- conférentiellement, ou par d'autres organes de fixation ap- propriés, l'étanchéité étant assurée par une bague torique 18. L'élément d'étanchéité frontale 15 est emmanché à pres- sion dans l'extrémité du soufflet 16, une bague torique 20 en matière élastomère maintenue dans la spire la plus exté- rieure du soufflet 16 et dans l'élément d'étanchéité 15 ser- vant à constituer entre eux un joint étanche aux fluides. L'autre extrémité 19 du soufflet est soudée sur la bague 17p mais elle peut être fixée sur cette bague par d'autres moyens fournissant un joint étanche aux fluides, par exemple -par rétreint ou par brasage. Le soufflet métallique 16 comprend une série-d'on- dulations, les rayons des couronnes 21 des ondulations diri- gées à l'opposé de l'arbre 10 étant supérieurs aux rayons des couronnes 22 des ondulations dirigées vers l'arbre 10, le rapport des rayons étant de 4: 1. Le joint d'étanchéité décrit ci-dessus est assem- blé de façon telle que le soufflet 16 soit en compression et exerce une précharge sur l'élément 15 de manière à le pous- ser en direction dusiège 12 de telle façon que la face d'é- tanchéité 14 de l'élément d'étanchéité frontale 15 soit main- tenue en contact étanche avec le siège 12. En fonctionnement, le joint est soumis à une pres- sion différentielle entre ses faces, une zone P de haute pression existant sur l'extérieur du soufflet 16, par compa- raison avec ce qui se passe à l'intérieur du soufflet. Cette pression différentielle engendre une force d'extension axiale qui est proportionnelle à la pression dif- férentielle. Cette force axiale renforce la force initiale appliquée sur l'élément d'étanchéité frontale 15 par le soufflet comprimé axialement 16. Par suite de cette force ad- ditionnelle exercée en cours de marche, la charge exercée entre le siège 12 et l'élément d'étanchéité frontale 15 n'est que juste supérieure, dans une large gamme de conditions de fonctionnement, à ce qui est nécessaire pour créer un joint efficace dans les conditions existantes. Par ce moyen, on peut rendre minimale l'usure produite sur l'élément d'é- tanchéité frontale 15. Ce mode opératoire n'est pas nouveau en soi. La présente invention concerne une nouvelle configuration du soufflet 16, qui permet de mieux commander ou contrSler ses caractéristiques. Par exemple, pour résister à la pression différentielle à laquelle le soufflet est soumis, celui- ci doit ëtre constitué d'une matière ayant une résistance et des dimensions suffisantes pour résister à la pression sans aplatissement. La disposition selon l'invention permet de réaliser le soufflet en une matière légèrement moins épais- se que ce qui serait nécessaire pour un soufflet symétrique classique résistant à la même pression différentielle.L'uti- lisation d'une matière moins épaisse confère au soufflet une plus grande flexibilité axiale; par conséquent, en utili- sant un soufflet conforme à l'invention, il est possible de le' comprimer davantage initialement et par suite d'exercer une pré-charge plus uniforme sur l'élément d'étanchéité fron- tale 15 pendant toute sa durée de service. On a décrit ci-après les perfectionnements atteints par les performances des soufflets selon la présente in- vention. On a fabriqué trois soufflets A, B, et C à partir du même matériau, chaque soufflet ayant un diamètre extérieur de 66,58 mm, un diamètre intérieur de 53,42 mm et une épais- seur de paroi de 0,18 mm. Les trois soufflets ont été formés avec des ondulations de rayon uniforme, les parois des ondu- lations étant pratiquement transversales à l'axe du soufflet, comme représenté au dessin. On a donné au soufflet A une configuration symétri- que classique, les rayons des couronnes intérieures et exté- rieures des ondulations étant égaux et le pas des ondulations étant de 7, 21 mm. Les soufflets B et C ont été profilés selon la présente invention, le rayon des couronnes extérieures des ondulations étant égal audouble de celui des couronnes inté- rieures et le pas des ondulations étant de 5,67 mm pour le soufflet B et de 7,1 mm pour le soufflet C. Lorsque ces soufflets ont été soumis à une pré- compression avec déplacement axial réglé de façon à obtenir une force axiale initiale de 300 Newtons: - les soufflets A et B ont présenté des capacités de pression semblables mais le soufflet B avait une amélioration de flexibilité de 45% par rapport au soufflet A; et - les soufflets A et C ont présenté des flexibi- lités semblables, mais le soufflet C avait une améliora- tion de capacité de pression de 31% par rapport au souf- flet A. Comme le montre l'exemple ci-dessus, le soufflet utilisé selon la présente invention peut présenter ou bien une flexibilité améliorée, auquel cas le soufflet peut être raccourci ou utilisé de manière à établir un joint présen- tant une plus grande résistance à l'usure;ou bien une capa- cité de pression améliorée par comparaison à celle d'un souf- flet conventionnel de configuration symétrique. Selon une variante, le soufflet utilisé dans la présente invention peut être réalisé de manière à améliorer à la fois la flexibilité et la capacité de pression, en optimisant ces améliorations en fonction des conditions particulières imposées au joint d'étanchéité frontale. Des modifications peuvent être prévues sans sor- tir du cadre de l'invention: par exemple, lorsque le joint doit être soumis à une haute pression à l'intérieur du souf- flet, les rayons-des couronnes desondulations sont inversés. Comme expliqué ci-dessus, le "diamètre d'équili- bre hydraulique" du soufflet profilé selon l'invention est sensiblement constant et, bien que l'élément d'étanchéité frontale associé au soufflet doive être tel qu'il crée un joint équilibré, il n'est pas nécessaire de faire interve- nir des agencements complexes à bague de retenue alors que ces agencements sont nécessaires pour compenser la variation de "diamètre d'équilibre hydraulique" que l'on constate avec les soufflets soudés. L'élément d'étanchéité frontale 15 peut donc être monté par emmanchement dans l'extrémité du soufflet 16, comme décrit ci-dessus. Bien que, dans la des- cription ci-dessus, on utilise une bague torique pour éta- blir un Joint étanche entre le soufflet et l'élément d'é- tanchéité frontale, on peut supprimer cette bague lorsque l'emmanchement entre l'élément d'étanchéité frontale et le soufflet est suffisamment serré pour établir un joint étan- che au fluide; cependant, pour absorber ou compenser les -tolérances de fabrication, on peut déposer dans l'intervalle intercalaire une couche d'un agent d'étanchéité approprié. Selon une variante, on peut donner à l'extrémité du soufflet un profil conique vers l'extérieur et la surface extérieure de l'élément d'étanchéité frontale peut recevoir une conici- té correspondante. Avec ces types de Joint à emmanchement, il est né- cessaire de prévoir des moyens de positionnement axial de l'élément d'étanchéité frontale par rapport au soufflet. Ce- ci peut être obtenu en faisant buter l'élément d'étanchéité frontale contre la paroi de la première ondulation du souf- flet, comme représenté au dessin. Dans une telle dispositions l'élément d'étanchéité frontale gêne cependant la flexion de la première ondulation du soufflet, en réduisant la flexibi- lité globale de ce dernier. Il est par conséquent préféra- ble de séparer l'élément d'étanchéité frontale de la paroi de la première ondulation et on peut prévoir à cet effet-une bu- tée sur la partie extrême du soufflet. Bien que les joints à emmanchement du type décrit ci-dessus conviennent particulièrement pour des éléments d'é- tanchéité frontale 15 formés d'un matériau fragile tel que du carbone, il est possible, selon une variante, de retenir l'élément d'étanchéité frontale 15 en carbone dans une ba- gue métallique à laquelle le soufflet peut être relié par rétreint, brasage ou soufflage. On peut également utiliser un rétreint pour relier le soufflet directement à l'élément d'étanchéité frontale, lorsque cet élément est formé d'un matériau dur tel qu'un carbure ou nitrure métallique frit- té. L'expression "soufflet profilé" utilisée dans la présente description inclut tout soufflet de structure mo- nolithique, de tels soufflets étant commodément réalisés à partir d'une ébauche tubulaire métallique par un processus de formage approprié, par exemple par roulage ou par souf- flage. Cependant le soufflet peut être constitué d'autres matériaux élastiques et flexibles, comme par exemple des ma- tières plastiques-rigides telles que les polytétrafluoréthy- lènes. Ces soufflets peuvent être fabriqués par des procédés semblables à ceux utilisés pour la réalisation de soufflets métalliques par tous autres procédés appropriés, par exemple par usinage, ou bien encore, le cas échéant, directement par moulage. En outre, le soufflet peut avoir une structure mul- ticouche et par exemple lorsqu'il est nécessaire d'empê- cher la corrosion d'un soufflet métallique, au moins une surface du soufflet peut être recouverte d'une matière non métallique. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, les parois des ondulations du soufflet sont parallèles; on peut obtenir des variations des caractéristiques du soufflet en modifiant la configuration des parois entre les couronnes des ondulations; par exemple les parois peuvent présenter une incurvation continue entre les couronnes des ondula- tions afin de former un profil rentrant. 2489464. REVENDICATIONS 1. Joint mécanique d'étanchéité frontale pour é- tablir une étanchéité entre deux organes de machine pouvant tourner l'un par rapport à l'autre et soumis, en service, à une pression différentielle, caractérisé en ce qu'il com- prend un premier élément d'étanchéité frontale (12) qui est fixé d'une manière étanche aux fluides sur un desdits orga- nes (11) et qui comporte une face d'étanchéité, un second élément d'étanchéité frontale (15) comportant une face d'étanchéité qui est appliquée contre la face d'étanchéité du premier élément d'étanchéité frontale (12), le second élément d'étanchéité frontale (15) étant fixé sur l'autre organe (10) par l'intermédiaire d'un soufflet profilé élas- tique (16) et flexible qui sert à assurer l'étanchéité du second élément d'étanchéité frontale (15) par rapport audit autre organe (10), ledit soufflet (16) comportant un certain nombre d'ondulations, les couronnes (21) des ondulations dirigées vers le côté haute-pression (P) du joint ayant un plus grand rayon de courbure que les couronnes (22) des on- dulations dirigées vers le c6té basse-pression du joint. 2. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre les rayons des couronnes (21) des ondulations dirigées vers le côté haute pression du soufflet (16) et les rayons des couronnes (22) des ondulations dirigées vers le côté basse pression du soufflet (16) est au moins égal à 3: 2. 3. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre les rayons des couronnes (21) des ondulations dirigées vers le côté haute pression du soufflet (16) et les rayons des cou- ronnes (22) des ondulations dirigées vers le côté basse pression du soufflet (16)- est compris entre 2: 1 et 6: 1. 4. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon l'une au moins des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les parois des ondulations du soufflet sont parallè- les lorsque le soufflet n'est pas sous contrainte. 5. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon l'une au moins des revendications I à 3, caractérisé en ce que les parois des ondulations du soufflet (16) sont incur- vées quand le soufflet n'est pas sous contrainte. 6. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le soufflet (16) est en métal. 7. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon l'une au moins des- revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le soufflet est formé en une matière plastique rigide. 8. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon l'une au moins des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le soufflet (16) a une structure multicouche. 9. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon l'une au moins des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le second élément d'étanchéité frontale (15) est emmanché dans l'extrémité du soufflet (16). 10. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est prévu dans la partie extrême du soufflet (16) une butée qui est espacée des ondulations du soufflet et qui agit de manière à posi- tionner axialement le second élément d'étanchéité frontale (15) à l'intérieur de la partie extrême du soufflet. 11. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon l'une au moins des revendications 1 à 8, caractérisé en ce- que le second élément d'étanchéité frontale (15) est logé dans une bague de retenue qui est fixée sur le soufflet (16) d'une manière étanche aux fluides. 12. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon la revendication 11, caractérisé en ce que la partie ex- trême du soufflet (16) est fixée par rétreint, brasage ou soudage sur la bague de retenue. 13. Joint mécanique d'étanchéité frontale selon l'une au moins des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le second élément d'étanchéité frontale (15) est formé d'un matériau dur, et en ce que la partie extrême du souf- flet (16) est fixée directement par rétreint sur l'élément d'étanchéité frontale.