Brevet FR2501817A1 — publié le 19820917

is18 7 L'invention concerne les joints d'arbre pour machines tournantes et plus particulièrement un joint d'étanchéité sans contact à face transversale du type des garnitures d'étanchéité dites mécaniques et à action hydrodynamique, conçu pour séparer deux espaces maintenus à des pressions différentes et pour empêcher la transgression de fluide de la zone à haute pression dans la zone à basse pression. Les joints d'étanchéité couramment employés peuvent être classés selon deux types: des joints présentant des surfaces en contact et des joints sans contact. D'une manière générale, un contact méca- nique entre les surfaces d'étanchéité, par exemple comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2 250 348, élimine pratiquement les fuites mais au prix de pertes de friction élevées, d'une usure plus ou moins importante et, par conséquent, d'une durée de service relativement courte. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 4 026 564 vise à réduire la friction en introduisant un jeu relativement important entre les surfaces d'étanchéité mais ce jeu conduit inévi- tablement à des pertes par fuite. Les joints ou garnitures sans contact à face transversale du type représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3 751 045 représentent un compromis en ce sens que le jeu y est réduit à une faible valeur mais juste suffi- sante pour éviter tout contact frottant, et qu'une fuite limitée est acceptée. Il y a de nombreux cas o l'échappement d'un fluide doit être empêché à tout prix, par exemple quand il s'agit de fluides toxiques, corrosifs, radio-actifs ou très coûteux, ou pour d'autres raisons encore. Une longue durée de service est une qualité désirable en soi. L'invention vise donc à apporter un joint sans contact à face transversale qui soit capable de satisfaire ces besoins. Elle vise en outre à procurer un tel joint ayant un faible coût initial et d'entretien en utilisant des composants simples pour sa construction et à lui conférer une grande durabilité en évitant l'usure due au contact entre les surfaces d'étanchéité. L'invention est basée sur le principe suivant Un fluide dans un intervalle de largeur h entre une surface stationnaire et une surface en mouvement est entraîné par la surface en mouvement dans la direction du vecteur vitesse v, l'écou- 250 18 1 7 lement de fluide Q1 par unité de longueur étant exprimé par l'équation (1) Q1 = v.h/2. Au cas o la surface en mouvement se déplace d'une zone à basse pression vers une zone à haute pression (P2 et P1 respecti- vement), il existe également un écoulement Q2 en sens opposé, qui résulte de la pression et est exprimé par l'équation 3 P -P h 1 2 L étant la longueur de l'intervalle dans la direction haute pression- basse pression et /u étant la viscosité du fluide. Pour empocher le fluide de passer à travers l'intervalle de la zone à haute pression à la zone à basse pression, Q1 doit être égal ou supérieur à Q2; autrement dit, il faut créer des conditions o l'une des faces d'un joint à jeu ou intervalle se déplace toujours de la basse pression vers la haute pression. Comme un tel mouvement ne peut pas être obtenu avec une surface tournante à axe de symétrie et une surface stationnaire, la solution réside dans la prévision d'un rotor et d'un stator qui sont séparés par un intervalle étroit. et sont construits de telle manière que les conditions d'écoulement ne soient pas uniformes le long de la circonférence mais diffèrent pour chaque point des surfaces d'étanchéité. Le joint sans contact selon l'invention possède: 1. un rotor monté sur l'arbre de la machine, tournant avec lui et présentant une surface lisse, de préférence plane; 2. une surface de stator espacée de la surface du rotor par un intervalle, cette surface formant une séparation entre des zones de différentes pressions et ayant la forme d'une courbe fermée d'une hauteur pleine, dont le côté intérieur entourne l'arbre du rotor et dont le côté extérieur est contenu dans la périphérie du rotor. La courbe est caractérisée en outre par le fait qu'une tangente à n'importe quel point de la courbe forme un angle aigu positif ou négatif avec le vecteur vitesse 250 18 1 7 du rotor passant par ce point. Tous les points de la surface de stator auxquels le vecteur vitesse du rotor est dirigé de l'intérieur vers l'extérieur de la courbe sont séparés de la surface du rotor par un intervalle de largeur prédéterminée; et tous les points de la surface de stator auxquels le vecteur vitesse du rotor est dirigé de l'extérieur vers l'intérieur de la courbe sont séparés de la surface de rotor par un intervalle dont la largeur diffère de la largeur aux points o les vecteurs vitesse sont dirigés vers l'extérieur. Au cas o la pression à l'extérieur de la courbe est plus grande qu'à l'intérieur, le fluide est entraîné vers l'extérieur, contre la différence de pression, à chaque point de la courbe o le vecteur vitesse est dirigé vers l'extérieur; inversement, le fluide est entraîné vers l'intérieur, et la différence de pression contribue à l'entraînement du fluide dans ce sens, à tous les points o le vecteur vitesse est dirigé vers l'intérieur. Com e la courbe est de préférence symétrique et est disposée de préférence symétriquement par rapport à un diamètre du rotor, le fluide sera entraîné vers l'intérieur sur une moitié de la courbe et sera entraîné vers l'extérieur sur l'autre moitié. En ménageant un large intervalle en regard de la portion à écoulement vers l'extérieur et en ménageant un intervalle étroit en regard de la portion à écoulement vers l'intérieur, l'écoulement vers l'extérieur à travers le large intervalle - à pression égale des deux côtés de la courbe - sera plus grand que l'écoulement vers l'intérieur à travers l'intervalle étroit, conformément à l'équation (1); cela provient de ce que l'écoulement est proportionnel à la largeur de l'intervalle. Toute- fois, comme la pression différentielle produira un écoulement vers l'intérieur, conformément à l'équation (2), pour obtenir un joint parfait, l'écoulement vers l'extérieur doit être égal ou supérieur à l'écoulement total vers l'intérieur. En choisissant judicieusement la forme de la courbe, sa largeur et la largeur de l'intervalle, il est possible d'équilibrer l'écoulement vers l'intérieur et l'écoulement vers l'extérieur pour une différence de pression donnée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de 25018 17 trois exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une coupe axiale d'un joint selon l'invention possédant une surface de stator ou face statorique circulaire excentrée; - la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne B-B de la figure 1, montrant l'espace d'écoulement de fluide entre le rotor et le stator; - la figure 3 est une coupe axiale d'un autre exemple de réalisation d'un joint selon l'invention, possédant une face statorique disposée symétriquement par rapport à la face rotorique; - la figure 4 est une coupe transversale prise suivant la ligne C-C de figure 3; et - la figure 5 est une vue en plan d'encore une autre face statorique. Les figures 1 et 2 représentent un rotor 1 fixé sur l'arbre 3 d'une machine et tournant dans le sens des aiguilles d'une montre (comme indiqué par une flèche), qui est sépare d'un stator 2 par un intervalle ayant une largeur h pour la moitié de la circon- férence du stator et ayant une largeur R pour l'autre moitié. Le stator 2 a la forme d'une surface annulaire de rayon moyen R et de largeur L. Le centre du stator est excentré par rapport au centre du rotor d'une distance ou excentricité e, les centres du rotor et du stator étant situés sur une ligne bissectrice A-A. Lorsqu'on observe la moitié supérieure de la figure 2, c'est-à-dire la partie située au-dessus de la ligne bissectrice A-A, et spécialement le point D sur le stator, on comprendra que chaque point du rotor avec le rayon R possède une vitesse v de l'intérieur vers l'extérieur de la surface statorique. Par suite, le fluide dans l'intervalle est déplacé à travers la laiteur du stator à la vitesse v, laquelle est la composante de la vitesse v en direction du rayon R du stator.- On comprendra également que, à chaque point de la moitié supérieure, audessus de la ligne bissectrice, il y a un vecteur vitesse dirigé vers l'extérieur qui diminue jusqu'à zéro en s'appro- chant de la ligne bissectrice. Il est également évident, d'après la partie de diagramme contenant le point D' (sous la ligne bissectrice), 250 18 1 7 que, à chaque point du rotor, le vecteur vitesse v' est dirigé vers l'intérieur, du côté extérieur vers le côté intérieur de la surface statorique. En rendant l'intervalle H au-dessus de la ligne bissec- trice plus grand que l'intervalle h sous cette ligne, on obtient le déplacement d'un plus grand volume de fluide vers l'extérieur que vers l'intérieur à chaque paire de points placés symétriquement de part et d'autre de la ligne bissectrice. Ceci peut être démontré analytiquement, à l'aide de l'équation (1), l'écoulement net vers l'extérieur correspondant à: (3) dQt = dQ -dQ; ou, après intégration pour la circonférence du stator (4) Qt = w.e.R(H-h) (w étant la vitesse de rotation). La description ci-dessus se réfère seulement à un mode de réalisation de l'invention, avec une surface rotorique lisse et une surface statorique sous forme d'une.courbe fermée. On obtient cependant le même résultat en inversant les rôles des parties tournante et stationnaire puisque l'effet décrit ici est dû à la vitesse relative entre le stator et le rotor. Dans une telle variante de réalisation, le stator aura donc une surface lisse plane, tandis que le rotor est pourvu d'une courbe fermée surélevée sur sa surface, cette courbe étant séparée de la surface statorique par un intervalle de largeur variable, suivant le vecteur vitesse relative à chaque point de la courbe. L'écoulement à travers l'intervalle correspond à la différence entre l'écoulement vers Pextérieur décrit plus haut et l'écoulement vers l'intérieur dû au gradient de pression P - P2 (équation (2)). Donc, l'écoulement Q à travers l'intervalle peut être défini comme suit =.3 3 5) Q =R. 2 50 1 8 1 7 Pour des conditions de fonctionnement données, c'est-à- dire lorsqu'on connait la pression différentielle P1 - P2, la vitesse de rotation w et la viscosité p du fluide, on peut choisir une géométrie de joint, définie par H, h, L et e, de manière que Q soit nul ou positif, ce qui empêche l'écoulement de fluide de la zone de haute pression à la zone de basse pression. La figure 1 montre également quelques détails de cons- truction d'un joint à face transversale selon l'invention. Le stator 2 possède une forme annulaire avec un alésage cylindrique et est déplaçable axialement sur une saillie cylindrique 5 formant un pro- longement interne d'un carter 4. La surface cylindrique de la saillie est excentrée de la distance e par rapport à l'axe de l'arbre, ce qui définit la position excentrée du stator; le stator et la saillie 5 sont étanchés entre eux contre la pénétration de fluide par un joint torique circulaire 6. Un ressort hélicoïdal 7 pousse le stator élas- tiquement vers la surface rotorique. Le ressort 7 peut être remplacé par n'importe quel autre dispositif chargeant le stator élastiquement en direction de la surface du rotor, par exemple par un soufflet ou une série de petits ressorts hélicoldaux convenablement répartis. Il est à noter que les intervalles H et h, de même que la différence entre eux, sont représentés sur les dessins, pour plus de clarté, beaucoup plus larges qu'ils ne le sont en réalité, c'est-à-dire de quelques fractions d'un millimètre. Le joint représenté figures 3 et 4 est presque identique à celui des figures 1 et 2 sauf que la courbe statorique 2a est symétrique par rapport à l'axe de l'arbre, ce qui assure une distri- bution équilibrée de la pression sur le rotor. La courbe statorique est composée de deux arcs de cercle qui se raccordent l'un à l'autre et qui sont séparés de la surface rotorique pardeuxlarges intervalles Hi et deux intervalles étroits hi. Les directions d'écoulement indiquées par les flèches sont celles obtenues pour une rotation du rotor dans le sens des aiguilles d'une montre. La figure 5 montre encore une autre forme de la courbe statorique, laquelle est symétrique par rapport à l'axe du rotor et est composée de quatre arcs de cercle. Comme dans l'exemple précédent, chacun des quatre arcs est divisé en une surface séparée par un 2 50 18 1 7 intervalle étroit du rotor et une surface séparée par un large intervalle du rotor. D'autres configurations encore sont possibles avec différentes combinaisons d'arcs égaux, chacun avec les largeurs d'intervalle h et H. Le choix final sera déterminé par des considé- rations de fabrication et autres. S'il faut éviter des fuites aux vitesses de ralenti et à l'arrêt, le joint selon l'invention peut être pourvu d'une barrière, sous forme d'un anneau par exemple (S sur la figure 5), qui peut être placée, soit à l'intérieur, soit autour de la courbe fermée et qui peut être séparée de la surface antagoniste d'un intervalle avec la largeur h ou moins. Pendant un essai effectué avec un joint à face trans- versale circulaire selon l'invention, une pression différentielle de 11 bars a pu être atteinte; ce joint avait les dimensions et travaillait sous les conditions suivantes Excentricité e = 21 m Largeur L - 4 mm - Intervalle large R = 0,018 -m Intervalle étroit h - 0,010 mm Viscosité p 0,030 Pa.s Vitesse angulaire w =,100 rad/s Pour empêcher le fluide de passer à travers le joint quelle que soit la différence de pression, il faut ajuster la largeur de l'intervalle en fonction des différences de pression changeantes. Ceci peut être réalisé en calculant et en choisissant convenablement les dimensions et les caractéristiques du ressort hélicoïdal 7 de la figure 1. Une autre possibilité consiste à relier le stator à un dispositif mécanique ou hydraulique capable de déplacer le stator axialement vers la surface rotorique, ou pour l'éloigner axialement de cette surface, en fonction d'un signal reçu d'un capteur sensible à des variations de pression ou de la vitesse du fluide. Selon une variante d'application de l'invention, on peut aussi permettre à un fluide de passer à travers l'intervalle, vers 2 50 18 1 7 l'intérieur ou vers l'extérieur de la surface statorique courbe, le dispositif ayant alors un effet de pompage semblable à l'action d'une pompe centrifuge ou centripète. Il va de soi qu'il faut dans ce cas prévoir des orifices à l'intérieur et à l'extérieur de la courbe pour l'admission et la sortie du fluide à pomper. De telles pompes auront une grande valeur dans tous les cas o la contamination du fluide pompé doit être empêchée à tout prix. Puisqu'il n'y a pas de contact mécanique de pièces tournantes dans ce type de pompe, il ne peut pas y avoir de détachement par abrasion de particules solides se mêlant au fluide. L'une des applications proposées est une pompe sanguine comme celle utilisée dans les opérations à coeur ouvert et dans les opérations des reins, o la moindre pollution pourrait être fatale. Bien que deux formes de réalisation de la surface statorique seulement aient été décrites dans ce qui précède, on comprendra que de nombreux autres types de courbes peuvent être utilisés dans le même but, à condition, conformément à l'invention, qu'il y ait des portions o les vecteurs de vitesse sont alternati- vement dirigés vers l'intérieur et vers l'extérieur de la courbé. Il n'est pas obligatoire que la courbe soit symétrique, ni par rapport à sa propre ligne bissectrice ni par rapport à l'axe du rotor, mais il est évident que la courbe symétrique, comme celle représentée figure 4 par exemple, charge le rotor symétriquement, ce qui est avantageux pour l'équilibrage des pièces tournantes. Au lieu de prévoir des largeurs d'intervalle h et H uniformes sur un arc complet de la courbe fermée, on peut également faire augmenter et diminuer la largeur graduellement suivant les changements de la composante vectorielle v (figure 2). 2 50 18 1 7 R E V E N D-I C A T I O N S 1. Joint d'étanchéité sans contact à face transversale pour une machine tournante, ce joint comprenant un rotor monté sur l'arbre de la machine et tournant avec lui et un stator relié à la carcasse de la machine, le rotor et le stator possédant des surfaces opposées lisses et de préférence planes, qui sont séparées par un jeu ou intervalle d'au moins deux largeurs différentes, caractérisé en ce que l'une des deux surfaces opposées (1, 2) est lisse et uniforme et l'autre a la forme d'une courbe fermée possédant un côté intérieur entourant l'arbre (3) et un côté extérieur contenu dans les contours de la surface opposée, la courbe fermée formant une séparation entre une zone de haute pression et une zone de basse pression, ou une première zone o la pression- est plus élevée que dans une seconde zone, et la courbe étant conformée de telle manière qu'une tangente à n'importe quel point de la courbe forme un angle aigu qui est soit positif ou extérieur à la courbe, soit négatif ou intérieur à la courbe - avec le vecteur vitesse relative passant par ce point, ou coincide avec lui, et que, à tous les points de la courbe o le vecteur vitesse relative est dirigé de la zone de haute pression vers la zone de basse pression, la largeur (h, Xl de l'intervalle entre les surfaces opposées est plus petite qu'aux points o le vecteur vitesse relative est dirigé de la zone de basse pression vers la zone de haute pression. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de rotor (1) est lisse et plane et la surface de stator (2) a la forme d'une courbe fermée. 3. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de stator (2) est lisse et plane et la surface de rotor (1) a la forme d'une courbe fermée. 4. Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface statorique (2) est de forme annulaire et circulaire et de largeur uniforme, le centre de la surface statorique étant situé à une distance (e) de l'axe de la surface rotorique (1), la surface 250 1 8 1 7 statorique étant séparée de la surface rotorique par un intervalle étroit (h) tous les points situés d'un côté d'une droite imaginaire (A-A) tracée par les centres des surfaces rotorique et statorique: et par un intervalle (H) plus large à tous les points situés de l'autre côté de cette droite. 5. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (5, 7) pour changer la distance entre la surface rotorique (1) et la surface statorique (2). 6. Joint selon les revendications 4 et 5 prises ensemble, caractérisé en ce que la surface statorique (2) fait corps avec une pièce annulaire disposée axialement mobile par rapport à la surface rotorique (1) et chargée vers la surface rotorique par un élément élastique. 7. Joint selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément élastique est un ressort hélicoïidal (7). 8. Joint selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rotor est disposé axialement mobile le long de l'arbre (3) de la machine et est chargé en direction de la surface statorique (2) par un élément élastique. 9. Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface statorique (2a) est formée par deux ou davantage d'arcs de cercle annulaires égaux formant une courbe fermée et raccordés l'un à l'autre par leurs extrémités, la surface statorique étant séparée de la surface rotorique par des intervalles larges (H1) alternant avec des intervalles étroits (h1), chaque intervalle s'étendant sur une moitié de la longueur de chaque arc.