Brevet FR2514456A1 — publié le 19830415

GARNITURE FROTTANTE ASSURANT L'ETANCHEITE D'UNE SORTIE D'ARBRE TOURNANT. L'invention concerne une garniture frottante assurant l'étan- chéité d'une sortie d'arbre tournant par rapport à un carter fixe. Elle concerne plus particulièrement les garnitures d'étanchéité constituées d'une pièce tournante appelée glace, solidaire d'un arbre, cette glace frottant contre une pièce fixe appelé grain, montée dans un support de grain solidaire d'un carter, une telle garniture est destinée à assurer l'étanchéité entre deux environnements à pression différentes, de valeurs élevées. Un des problèmes que pose la mise en oeuvre de garniture d'étanchéité de ce type est son fonctionnement correct tant sous une pression extérieure pe élevée et variable, que sous une pression intérieure pi également élevée et variable et ceci quelque soit le sens de la différence de pression p. La figure 1 représente schématiquement une garniture d'étanchéité telle qu'il en existe actuellement dans l'art connu. Elle est constituée d'une part, d'une pièce tournante ou glace (1) liée à un arbre tournant (non représenté) et qui présente une surface de frottement (a), d'autre part d'une pièce fixe ou grain (2) porté par un support de grain (3) solidaire d'un carter fixe (4). Ce grain présente également une surface de frottement (b) de valeur S appliquée contre la surface de frottement (a). Un joint torique (5) coopère avec le support de grain entre la zone A où règne une pression dite extérieure (pe) et la zone B ou règne une pression dite intérieure (pi). Ce joint torique (5) permet également un glissement entre le grain (2) et son support (3).Les deux surfaces de frottement (a) et (b) sont appliquées l'une contre l'autre par tout moyen mécanique approprié tel qu'un ressort (100) par exemple agissant avec une force d'application Fr (la pression d'application étant alors égale à Pr). L'agencement du grain (2) est tel que la pression (pe) s'exerce contre une surface (6) du grain (2), de section SH et la pression (pi) contre une surface (7) de section S'H, générant ainsi deux forces F1 et F2 hydrauliques, s'ajoutant à la force F r mécanique et contribuant avec elle à assurer l'application des deux surfaces (a) et (b) et leur frottement l'une contre l'autre. Le diamètre extérieur de ces surfaces (a) et (b) de frottement est D et leur diamètre intérieure d. Ce grain (2) comporte également une portée (8) dit diamètre de compensation cl' sur lequel est appliqué le joint torique (5). On appelle (k), rapport de charge hydraulique "direct", le rapport SH/S et (k)' rapport de charge hydraulique "indirect" le rapport S'H/S. Ces deux paramètres sont dépendants l'un de l'autre puisque: k' = S'H = S - 5H 1-k S S = I1 est donc très difficile dès que les valeurs de (pe) et de (pi) sont élevées de trouver un compromis pour les valeurs de k et de k' qui assure un bon fonctionnement de la garniture. Dans certaines applications les variations de pression et/ou inversion des rapports de pression déséquilibrent l'ensemble et conduisent à des risques certains soit d'usure exagérée des surfaces frottantes, soit de fuites. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et concerne un nouvel agencement de garniture d'étanchéité tel que les deux rapports de charges hydrauliques k et k' soient rendus indépendants l'un de l'autre. Ce résultat est obtenu grace à la mise en oeuvre d'au moins un deuxième diamètre de compensations (Z5C2 L'invention concerne plus précisement une garniture frottante assurant l'étanchéité d'une sortie d'arbre tournant cotnportant:: - une pièce tournante dite glace, liée à l'arbre et présentant une surface de frottement; - une pièce fixe dite grain portée par un support porte-grain solidaire d'un carter fixe et présentant une surface de frotternent (b) de diamètres intérieur (d) et extérieur (D) et de section (S) appliquée contre la surface de frottement (a); - des moyens mécaniques destinés à appliquer l'une contre l'autre les deux surfaces de frottement (a) et (b) avec une force F ;; - une première portée d'un premier diamètre dit de compensation fcl portant un premier joint torique coopérant avec le porte grain pour assurer une première étanchéité entre une zone (A) où règne une pression extérieure pe et une zone (B) ou règne une pression intérieure pi, ce joint torique permettant en outre un glissement du grain par rapport à son support de grain; - tous ces éléments étant agencés de telle sorte que d'une part, la pression (pe) s'exerce sur une surface de section SH parallèle à la surface de frottement de section (S) engendrant ainsi une force F1 hydraulique d'application ; d'autre part la pression (pi) s'exerce sur une surface de section S'H paralèlle à la surface de frottement de section S engendrant aussi une force F2 hydraulique d'application, ces deux forces hydrauliques F1 et F2 s'ajoutant à la force mécanique Fr; - garniture caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, au moins une seconde portée d'un second diamètre dit de compensation (C2)' supportant au moins un second joint torique délimitant avec le premier joint torique, au moins une chambre intermédiaire (C1) dite morte dont la fonction est de rendre les rapports k = SH/S dit rapport hydraulique "direct" et k' = S'H/S dit rapport hydraulique "indirect", indépendants l'un de l'autre, assurant ainsi une optimisation possible en fonction des pression (pe) et (pi) mises en jeu, de ces deux paramètres qui régissent les valeurs respectives des forces d'application hydrauliques F1 et F2 et donc les performances. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explicaitons qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles - la figure 1 représente schématiquement une garniture d'étanchéité selon l'art connu, - la figure 2 représente schématiquement une garniture d'étanchéité selon l'invention les figures 3 et 4 représentent schématiquement des variantes de réalisation d'une garniture d'étanchéité décrite au moyen de la figure 2. Comme le montre la figure 2, une première variante de réalisation d'une garniture,seion l'invention comporte -d'une part une surface (a) de frottement appartenant à une glace 1 liée à l'arbre (non représenté) d'autre part une surface de frottement (b) de valeur (S) appliquée sur la précédente, appartenant à un grain 2 fixe porte par un support de grain 3 lié au carter 4. Ce grain 2 comprend une première portée 8 de diamètre XC1 dit premier diamètre de compensation portant un premier joint torique 5 et conformément à l'invention une seconde portée (9) de diamètre QjC2 dit second diamètre de compensation recevant un second joint torique (10). La présence de ces deux joints toriques (5) et (10) délimitent une chambre intermédiaire dite morte (C1) dont la fonction est de rendre, conformément à l'invention, les deux rapports k et k' indépendants l'un de l'autre. En effet comme précédement, d'un coté de cette garniture existe une pression extérieure (pe) et de l'autre une pression intérieure (pi). Dans le cas de la présente invention les rapports de charges hydrauliques direct et indirect k et k' ont respectivement comme valeur: SH D2-OC12 k = - = D d - S'H OC2-d2 k' = S D-d S'H OC2 - d -2 .3 S D -d Ils sont donc indépendants l'un de l'autre : k dépend du choix du premier diamètre de compensation XC1 et k' du choix du second diamètre de compensation C2 Les forces hydraulique F1 et F2 engendrent les pressions hydraulique PH1 et PH2 dont les valeurs dépendent pour des valeurs (pe) et (pi) données des sections SH et SH'. Comme SH' ne dépend que du diamètre C2 lui même indépendant de XC1 l'optimisation de ces pressions devient possible. La figure 3 représente une variante de réalisation d'une garniture selon l'invention déjà représentée sur la figure 2. Pour décharger l'interface que constitue la jonction des deux surfaces de frottement (a) et (b) et aussi limiter l'usure de ces deux surfaces à très forte pression, qu'elle soit accidentelle ou temporaire, des moyens de mise en pression (20) de la chambre intermédiaire cl située entre les deux joints toriques (5) et (10) sont prévus. Par un canal 21, un fluide 22, y est introduit à une pression (pl) qui s'applique alors contre une surface (23) de section (S') fonction de la différence des deux diamètres de compensation Xc2 et 67c1 Ceci donne lieu à la naissance, au niveau de cette surface (S'), d'une force hydraulique antagoniste Fc.Un système de clapets (50) dont la pression de tarage est (pt), permet, dés que la pression variable (pe) atteint la valeur de la pression de tarage (pt), d'introduire le fluide. Le fluide destiné à appliquer la pression dans la chambre intermédiaire peut être issus d'un circuit (24), indépendant de la garniture. Une variante de réalisation d'une garniture d'étanchéité conforme à l'invention comportant deux diamètres de compensation Zcl et 5c2 délimitant une chambre intermédiaire (Cl) vient d'être décrite, mais il est possible de mettre ainsi en service successivement des chambres intermédiaires C2...Cn, comme le montre schématiquement les pointillés de la figure 3, limitées chacune par un nouveau joint torique tel que 5, 10 n. Le nombre n est fonction de l'application considérée. La pression dans ces différentes chambres est alors réglée à des valeurs P1, P2--- Pn différentes. Une telle garniture comportant n diamètres de compensation #cl, #C2... #Cn est dite multicom- pensez. pensée. En cas de chute de la pression extérieure (pe), des soupapes (non représentées) fonctionnant en sens inverse des clapets 50 annulent la pression dans ces chambres. Le fonctionnement d'un tel dispositif est décrit ci-après. Tant que la pression extérieure (pe) est inférieure à la pression de tarage (pt) des clapets (50), la valeur de la force totale de fermeture Ffl d'application est égale à: Ff 1 = Fr + SH pe + (S'H - S') pi. S'H-S' = S'H - (S'H -S") Ffl = Fr + SHpe +S'H - (S'H - S")jpi Ff1 = Fr + SHpe + S" pi Si l'on exprime pi = pe -#p Ff 1 =Fr+SHpe+S(pe-#p) Ffl = Fr + SHpe + (S - SH) (pe -p) Ffl = Fr + Spe - (S - SH)p Si l'on exprime toutes les forces en pression rapportée à la section S ou a: Pf1 = Pr + pe -(1 - k)Ap SH puisque= S Dès que la pression de tarage (pt) est atteinte, le fluide est introduit dans la chambre intermédiaire et agit sur la surface S'.Il en résulte pour la force totale d'application Ff2 des deux surfaces de frottement (a) et (b) l'un contre l'autre l'expression: Ff2 = Fr + (SH - S')pe+S'11(pe-p) Ff2 = Fr + +tSH - (S'H - S")]pe + S'H (pe-bp) Ff2 = Fr + (SH - S'H + S") pe + S'H (pe -tp) Ff2 = Fr + (SH - S'H + S - SH + S'H) pe - S'HAp Ff2 = Fr + Spe - S'H#p soit pf2 = Pr + pe - k' p Toutes choses étant égales par ailleurs, les pressoins pfl et pf2 correspondant respectivement au fonctionnement avant et après ouverture du clapet et introduction de la pression P1 dépendent pour pfl de la valeur du rapport de charge hydraulique direct k, et pour pf2 de la valeur du rapport de charge hydraulique indirect k'.Il est possible de réduire ou d'augmenter à volonté la différence entre pfl et pf2 en choisissant convenablement la valeur de k', celle-ci étant, dans le cas d'une garniture d'étanchéïté conforme à l'invention indépendante de k. Comme le montre la figure 4, une autre fonction peut-être accomplie par le fluide introduit dans les chambres intermédiaires aux pressoins pl, P2...Pn- En effet dans le cas où une étanchéité entre un premier gaz à la pressoin (pe) et un second gaz à la pression (pi) est plus particulièrement difficile à résoudre, la nature du fluide et sa pression sont choisies de telle sorte qu'il constitue un fluide de barrage. Les pressions p1 et P2...pn répondent alors à la condition suivante: pi (P2 Ce fluide introduit dans les chambres intermédiaire C1, C2, Cn délimitées par les joints J1, J2, J3, Jn, aux pressions P1, P2... pn peut également être utilisé, comme le montre la figure 4 pour refroidir les surfaces de frottement (a) et (b). Ce fluide est alors amené au niveaux de ces surfaces par des tubulures tl, t2...tn, qui en assurent la circulation. Si la pression extérieure (pe) est amenée à chuter au dessous d'une valeur de seuil déterminée, il est utile de mettre en place des soupapes permettant la chute en pression simultanée des chambres intermédiaires. Les applications des garnitures d'étanchéité conformes à l'ln- ventions sont nombreuses. Elle peuvent être mises en oeuvre dans toutes les installations ou machines (pompe, compresseur) nécessitant une étanchéité parfaite entre un environnement extérieur et un environnement intérieur où règnent respectivement une pression (pe) et (pi) variable et de valeur élevée, cette fonction étanchéite étant assurée aussi bien de l'exterieur vers l'intérieure que de l'intérieur vers l'extérieur selon les variations de pression en fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Garniture frottante assurant l'étanchéité d'une sortie d'arbre tournant comportant: - une pièce tournante dite glace (1), liée à l'arbre et présentant une surface de frottement (a); - une pièce fixe dite grain (2) portée par un support portegrain (3) solidaire d'un carter fixe (4) et présentant une surface de frottement (b) ; - des moyens mécaniques (100) destinés à appliquer l'une contre l'autre les deux surfaces de frottement (a) et (b) avec une force Fr. - une première portée (8) d'un premier diamètre dit de compensation cl portant un premier joint torique (5) coopérant avec la garniture pour assurer l'étanchéité entre une zone (A) ou règne une pression extérieure (pue) et une zone (B) ou règne une pression intérieure (Pi), ce joint torique (5) permettant en outre un glissement du grain (2) par rapport à son support de grain (3);; tous ces éléments étant agencés de telle sorte que d'une part, la pression (pe) s'exerce sur une surface (6) de section (SH) parallèle à la surface de frottement de section (S) engendrant ainsi une force (F1) hydraulique d'application, d'autre part la pression (pi) s'exerce sur une surface (7) de section (S'H) parallèle à la surface de frottement de section (S) engendrant ainsi une force (F2) hydraulique d'application, ces deux forces hydrauliques (F1) et (F2) s'ajoutant à une force mécanique F r garniture caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, au moins une seconde portée (9) d'un second diamètre dit de compensation (0C2) supportant au moins un second joint torique (10)délimitant avec le premier joint torique (5), au moins une chambre intermédiaire (C1) dite morte dont la fonction est de rendre les rapports k = SH/S dit rapport hydraulique direct et k' = S'H/S dit rapport hydraulique indirect, indépendants l'un de l'autre, assurant aussi une optimisation possible, en fonction des pressions (pe) et (pi) mises en jeu, de ces deux paramètres qui regissent les valeurs respec tives des forces d'application hydrauliques (F1) et (F2). 2. Garniture frottante selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'elle comprend en outre des moyens de mise sous-pression (20) par un fluide de compensation (21) reliés à l'une au moins des chambres intermédiaires (C1) capables d'assurer à l'interieure de celle-ci une pression de compensation. 3. Garniture frottante selon la revendication 2 ; caractérisée en ce que cette pression de compensation engendre une force autagoniste (Fc) de sens opposé aux forces (F1) et (F2) et s'appliquant contre une surface (23) de section (S') fonction des deux diamètres de compensatrion (#cl) et (#c2). 4. Garniture frottante selon l'une des revendications 2 et 3 ; caractérisé en ce que ces moyens de mise sous pression (20) comportent un jeu de clapets (50) tarés à une pression de tarage (pt). 5. Garniture frottante, selon la revendication 4 caractérisé en ce que lorsque la pression (pe) dépasse la valeur de la pression de tarage (pt), la pression de compensation est établie à l'intérieur de la chambre intermédiaire (C1). 6. Garniture frottante, selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce qu'elle comporte en outre des soupapes permettant la chute en pression d'au moins une chambre intermédiaire (C1) lorsque la pression (pe) descend au dessous d'une valeur de seuil déterminée. 7. Garniture frottante, selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce qu'elle comprend au moins un moyen d'amenée et de circulation (tut) du fluide de compensation (21) au niveau des surfaces de frottement (a) et (b) pour en assurer le refroidisselnent. 8. Garniture frottante, selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le fluide de compensation (21) est également un fluide de barrage s'opposant à la diffusion d'un gaz de la zone (A) vers la zone (B) et réciproquement.