Brevet FR2528918A1 — publié le 19831223

La présente invention concerne un dispositif d'étan- chéité d'un arbre dans une pompe centrifuge et un procédé pour l'utilisation de ce dispositif. Le dispositif d'étanchéité selon l'invention est hydrodynamiquement autoréglable et la force d'ouverture nécessaire pour l'étanchéité hydrodynamique est produite en conformité avec le procédé selon l'invention Au repos, l'étanchéité est obtenue au moyen d'éléments d'étanchéité connus. Dans le dispositif d'étanchéité d'une pompe selon le SE 350 309, on utilise de l'eau pour réaliser une étan- chéité hydrodynamique De ce fait, l'étanchéité est formée dans-un bottier de pales auxiliaires installé séparément du carter de la pompe En outre, des conduits sont ména- gée à l'intérieur des parois du bottier de pales auxiliai- res et l'eau d'étanchéité est recyclée par ces conduits du côté refoulement de la pompe à son côté aspiration De plus, la partie des pales auxiliaires rendant possible cette étanchéité hydrodynamique est montée sur l'arbre de pompe de façon à pouvoir se déplacer axialement, mais elle n'est en aucune manière fixée sur la partie d'étanchéité mécanique, qui maintient l'étanchéité de la pompe lorsque celle-ci est au repos. Dans le système d'étanchéité d'un arbre selon le US 3 731 940, un anneau fluide permettant l'étanchéité hydrodynamique est formé à la fois dans le carter de pompe et dans le bottier de pales auxiliaires fixé à côté du carter de pompe, dans lequel est amené un fluide d'étan- chéité spécial afin de former l'anneau fluide Lorsque la pompe est au repos, l'étanchéité de l'arbre est réalisée mécaniquement par deux joints élastiques spécialement fabriqués dans ce but. Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients de l'état de la technique décrits ci-dessus et de procurer un dispositif d'étanchéité d'arbre hydro- 2 2528918 dynamique auto-réglable pour pompes centrifuges Ce but est atteint par le fait que l'étanchéité hydrodynamique est réalisée grâce à au moins un anneau fluide du fluide pompé, formé au moyen de pales auxiliaires qui sont sépa- rées de la turbine. En fonctionnement, l'étanchéité est réalisée par le fait que, lorsque la pompe est mise en route, un équilibre de pression est créé au moyen des pales auxiliaires entre l'espace entre la turbine et les pales auxiliaires et l'es- pace entre les pales auxiliaires et la paroi du carter de pompe perpendiculaire à l'arbre de pompe afin de produire un anneau fluide dans le deuxième espace, que, du fait de la résultante des forces de pression hydrodynamiques ainsi créées, l'étanchéité entre la surface d'étanchéité et le joint d'étanchéité, produite par un élément de rap- pel, est détruite par le déplacement de la pièce d'étan- chéité l'éloignant de la turbine dans une direction paral- lèle à l'arbre de la pompe, et que, lorsque la pompe est arrêtée, la résultante des forces de pression hydrodyna- niques est annulée et l'élément de rappel ramène la pièce d'étanchéité à la position dans laquelle la surface d'étan- chéité s'applique contre le joint d'étanchéité, assurant ainsi l'étanchéité. Selon l'invention, lorsque la pompe centrifuge est au repos, l'étanchéité est obtenue grâce à un ressort ou une force pneumatique, hydraulique ou autre, parallèle à l'ar- bre de la pompe centrifuge, cette force appliquant la surface d'étanchéité d'une pièce d'étanchéité coaxiale contre un joint d'étanchéité disposé par exemple dans la partie supérieure de l'alésage de l'arbre A cet instant, la pression régnant dans le carter de pompe est la même que dans le système de canalisations. Lorsque le dispositif d'étanchéité d'arbre selon l'invention est situé du côté refoulement de la pompe, à l'instant o la pompe démarre, une pression égale à la 3 2528918 pression de travail de la pompe s'établit entre la turbine et les pales auxiliaires montées coaxialement à la tur- bine, mais séparément de celle-ci En même temps, les pales auxiliaires aspirent du fluide de l'espace entre les pales auxiliaires et la paroi dt carter de pompe qui est perpendiculaire à l'arbre jusqu'à ce que s'établisse un équilibre de pression entre les pales auxiliaires et 14 paroi du carter de pompe parallèle à l'arbre A ce mo- ment, il y a équilibre entre l'espace délimité par la turbine et les pales auxiliaires et l'espace délimité par les pales auxiliaires et la paroi perpendiculaire à l'ar- bre de pompe Pendant que l'on tend vers cet équilibre, il-se forme un anneau fluide à la circonférence des pales auxiliaires, et la pression interne de cet anneau diminue de la périphérie extérieure en direction de la périphérie intérieure lorsqu'il n'y a pas de débit volumétrique La pression à la périphérie intérieure est la même que la pression externe de la pompe La résultante élevée, ainsi obtenue, des forces de pression a une valeur absolue éle- vée et annule la force d'étanchéité, par exemple la force du ressort, qui assure l'étanchéité lorsque la pompe est au repos A ce moment, la pièce d'étanchéité, sur'laquelle les pales auxiliaires ont également été montées, coulisse dans une direction'parallèle à l'axe de la pompe en soé- loignant de la 'turbine, déclenchant simultanément l'étan- chéité mécanique qui résisterait mal aux efforts provoqués par la rotation de l'arbre de la pompe La pièce d'étan- chéité peut également être fixée sur l'arbre, auquel cas les pales auxiliaires sont également fixées sur l'arbre. Dans ce cas, lorsque se déclenche l'étanchéité mécanique, l'arbre tout entier se déplace avec sa turbine lorsque la force d'étanchéité mécanique est annulée Lorsque la pompe s'arrête, la valeur de la résultante des forces de pression -diminue et le ressort ou l'élément de rappel correspondant " 5 ferme à nouveau l'étanchéité en appliquant l'une contre 4 2528918 l'autre les surfaces d'étanchéité pour les ramener à leur état initial Il peut y avoir un ou plusieurs jeux de pales auxiliaires. Le dispositif d'étanchéité d'arbre selon l'invention peut également être prévu du côté admission de la pompe, auquel cas la pression d'étanchéité créée par les pales auxiliaires est la même que la pression d'admission de la pompe. Afin de former avantageusement l'anneau fluide ser- vant à l'étanchéité hydrodynamique selon l'invention, la pièce d'étanchéité mécanique peut comporter une surface conique auxiliaire dont la conicité est orientée de telle sorte que le mouvement du fluide résultant de la force centrifuge soit dirigé vers le bord extérieur des pales auxiliaires. Les pales auxiliaires exigées pour l'étanchéité de l'arbre selon l'invention peuvent être fixées sur l'arbre de pompe par une clavette De ce fait, il est avantageux d'utiliser un joint mécanique élastique pour assurer l'étanchéité entre l'arbre et les pales auxiliaires La clavette et le joint élastique peuvent de préférence être remplacés par des soufflets, qui dirigent le mouvement des pales auxiliaires vers les points d'étanchéité ci-dessus mentionnés. Le dispositif d'étanchéité d'arbre selon l'invention pour pompes centrifuges est auto-réglable et sans fuite. Par ailleurs, il n'est pas fonction d'autres variables, telles que la vitesse de rotation de l'arbre, du fait que l'équilibre de pression utilisé dans l'invention et l'an- neau fluide ainsi formé pour assurer l'étanchéité sont produits et peuvent subsister même pour de faibles vites- ses de rotation de l'arbre En outre, du fait que l'étan- chéité est déclenchée hydrodynamiquement, aucun actionneur individuel n'est nécessaire, ce qui réduit les exigences de réglage et d'entretien du dispositif d'étanchéité, et de ce fait les coûts de fonctionnement de la pompe lors- qu'on utilise le système d'étanchéité selon l'invention. Le dispositif d'étanchéité d'arbre selon l'invention pour pompe centrifuge a également une structure simple, qui réduit pour sa part les coûts de fabrication des piè- ces nécessaires à ce dispositif d'étanchéité Dans celui- ci, ni le joint d'étanchéité, ni la surface d'étanchéité de la pièce d'étanchéité ne s'usent en fonctionnement. Ces surfaces ne frottent l'une contre l'autre que pendant de courts instants, au démarrage et à l'arrêt En outre, le dispositif d'étanchéité a été conçu de façon que ce soit le fluide, qui a tendance à fuire, qui assure l'étan- chéité. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée, donnée ci-après à titre d'exemples seulement, de réalisations préférées, en se référant au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue latérale, en coupe partielle, d'une réalisation préférée de l'invention, lorsque la pompe centrifuge est en fonctionnement. -La figure 2 est une vue latérale, en coupe partielle, d'une autre réalisation préférée de l'invention; et La figure 3 est une vue latérale, en coupe partielle, d'une réalisation préférée de l'invention dans laquelle le dispositif d'étanchéité est situé sur le côté admission de la pompe. Lorsque la pompe est au repos, la pression dans le raccord d'admission 8 du carter de la pompe centrifuge règne dans l'espace 3 entre la turbine 1 et les pales auxi- liaires 2 et dans l'espace 7, entre les pales auxiliaires 2 et la paroi 6 du carter de pompe 4 qui est perpendicu- laire à l'arbre 5 Dans ce cas, un élément de rappel, tel qu'un ressort 9 monté autour de l'arbre 5 de la pompe, applique la surface d'étanchéité 10 contre le joint d'é- tanchéité l fixé sur le couvercle 16 de l'orifice de la 6 2528918 pompe, empêchant ainsi toute fuite La pièce d'étanchéité , qui présente la surface d'étanchéité 10, est en outre montée de façon étanche sur l'arbre 5, qu'elle entoure, grâce à un joint 15 En outre, une tubulure d'échappement 17 est raccordée au carter de pompe 4 et des moyens à commande mécanique ou un moteur 18 sont re- liés à l'arbre 5 pour le faire tourner. Lorsque la pompe démarre, la turbine 1 fait monter la pression dans l'espace 3 jusqu'à la valeur de la pres- sion de travail En même temps, les pales auxiliaires 2 aspirent du fluide de l'espace 7 jusqu'à ce que soit at- teint un équilibre de pression dans l'espace 13 entre les pales auxiliaires 2 et la paroi 12 du carter de pompe 4 qui est parallèle à l'arbre Il se forme en même temps un anneau fluide 14 dans l'espace 13 à la périphérie des pales auxiliaires 2 et la pression interne de l'anneau fluide 14 diminue de sa périphérie extérieure en direction de sa périphérie intérieure La pression à la périphérie exté- rieure de l'anneau fluide 14 est la même que la pression externe de la pompe La résultante ainsi obtenue des for- ces de pression a une valeur absolue élevée et équilibre la force produite par le ressort 9 ou les moyens de rappel similaires Il en résulte que la pièce d'étanchéité 20, et en même temps les pales auxiliaires 2, se déplacent parallèlement à l'arbre en s'écartant de la turbine 1, ce qui ouvre également l'étanchéité 10 11, comme on le voit sur la figure 1 L'étanchéité est assurée à ce moment-là par l'anneau fluide hydrodynamique 14. La figure 2 représente une forme de réalisation de l'invention, qui s'est révélée particulièrement avantageuse en pratique Dans cette structure, tous les chiffres de référence correspondent à ceux de la figure 1 En outre, on a donné de nouveaux chiffres,21 et 22, aux détails qui rendent avantageuse la réalisation en question Le repère 21 désigne une surface conique dont la conicite est 7 2528918 orientée de telle sorte que le mouvement provoqué par la force centrifuge soit orienté vers le bord extérieur de la pale auxiliaire 2 Ainsi, le fluide pompé, qui bien entendu pénètre entre la surface 21 et la surface conique correspondante 23 du carter, lorsque la pompe est au re- pos, commence alors à être projetée effectivement vers le bord extérieur de la pale auxiliaire 2 On a constaté en pratique que, lorsqu'on utilise cette structure, aucune fuite de liquide n'avait lieu à travers le dispositif d'étanchéité dans des conditions classiques à n'importe quel stade de fonctionnement. Une autre caractéristique avantageuse de la réalisa- tion de la figure 2 est repérée en 22; il s'agit d'un soufflet qui peut, par exemple, être en un métal tel que l'acier et qui peut remplacer à la fois la clavette rac- cordant la pale auxiliaire 2 à l'arbre 5 et le joint d'étanchéité 15 de la figure 1 Du fait de leur structure, les soufflets sont capables de transmettre un couple qui suffit pour faire tourner la pale auxiliaire 2 Bien en- tendu, on peut également utiliser une clavette si celà parait plus sur. Selon la figure 3, lorsque le dispositif d'étanchéité d'arbre se trouve du côté admission de la pompe, la paroi fixe du carter de pompe 4 peut être située entre la tur- bine 1 et les pales auxiliaires 2, et il est possible d'ins- taller des aubages fixes 19 sur cette paroi fixe pour faciliter l'obtention de l'équilibre hydrodynamique et pour calmer le mouvement du fluide dans l'espace 3 en ar- rière des pales auxiliaires. Lorsque la pompe s'arrête, la valeur de la résultante des forces de pression diminue et les moyens de rappel 9 repoussent la pièce d'étanchéité 20 vers sa position ini- tiale et rapprochent simultanément les éléments d'étan- chéité 10 11. 8 2528918 REVENDICATIONS 1 Dispositif d'étanchéité de l'arbre d'une pompe centrifuge, dans lequel, lorsque la pompe est au repos, l'étanchéité est réalisée mécaniquement entre des surfaces ( 10, 11) avec l'aide de moyens de rappel 19), d'une sur- face d'étanchéité ( 10) et d'un joint ( 11), et, lorsque la pompe est en fonctionnement, l'étanchéité est réalisée hydrodynamiquement, caractérisé par le fait que l'étan- chéité hydrodynamique est réalisée grâce à au moins un anneau fluide ( 14) du fluide pompé, formé au moyen de pales auxiliaires ( 2) qui sont séparées de la turbine ( 1). 2 Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, dans lequel l'anneau fluide ( 14) est formé dans l'es- pace ( 7) entre les pales auxiliaires ( 2) et une paroi ( 6) du carter de pompe l'une 3 Dispositif d'étanchéité selon/des revendications 1 ou 2, dans lequel les pales auxiliaires ( 2) sont montées sur la pièce d'étanchéité ( 20). 4 Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendi- cations 1, 2 ou 3, dans lequel les pales auxiliaires ( 2) et le cône auxiliaire ( 21) sont montés fixes sur la pièce d'étanchéité ( 20). Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendi- cations 1 à 4, dans lequel les pales auxiliaires ( 2) et la pièce d'étanchéité ( 20) sont reliées à l'arbre ( 5) par l'intermédiaire d'un soufflet ( 22) de transfert de couple. 6 Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendi- cations 1 à 5, dans lequel l'espace ( 7) qui contient l'an- neau fluide d'étanchéité ( 14), le joint ( 11) et la surface d'étanchéité ( 10) est situé du c 8 té refoulement de la pompe. 7 Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendi- cations 1 à 5, dans lequel l'espace ( 7) qui contient l'an- neau fluide d'étanchéité ( 14), le joint ( 11) et la surface d'étanchéité ( 10) est situé du c 8 té aspiration de la pompe. 8 Procédé pour réaliser une étanchéité par le 9 2528918 dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, lorsque la pompe est mise en route, un équili- bre de pression est créé au moyen des pales auxiliaires ( 2) entre l'espace ( 3) entre la turbine et les pales auxi- laires et l'espace ( 7) entre les pales auxiliaires et la paroi du carter de pompe perpendiculaire à l'arbre de pom- pe afin de produire un anneau fluide ( 14) dans le deuxième espace ( 7), que, du fait de la résultante des forces de pression hydrodynamiques ainsi créées, l'étanchéité entre la-surface d'étanchéité ( 10) et le joint d'étanchéité ( 11), produite par un élément de rappel ( 9), est détruite par le déplacement de la pièce d'étanchéité ( 20) l'éloignant de la turbine ( 1) dans une direction parallèle à l'arbre ( 5) de la pompe, et que, lorsque la pompe est arrêtée, la résultante des forces de pression hydrodynamiques est annu- lée et l'élément de rappel ( 9) ramène la pièce d'étanchéité ( 20) à laposition dans laquelle la surface d'étanchéité ( 10) s'applique contre le joint d'étanchéité ( 11), assu- rant ainsi l'étanchéité ( 10, 11). 9 Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'anneau fluide ( 14) est produit dans un espace ( 7) situé côté refoulement de la pompe. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'anneau fluide ( 14) est produit dans un espace ( 7) situé côté aspiration de la pompe.