Brevet FR2529987A1 — publié le 19840113

La présente invention concerne une double bague d'étanchéité à glissement, en particulier pour machines hydrauliques rotatives, telles que pompes et turbines Des bagues d'étanchéité annulaires à glissement présentent des surfaces de glissement perpendiculaires à l'axe de rotation. La pression d'étanchéité est réalisée par pression élas- tique Dans le cas de différences de pression élevées, la pression intérieure est prélevée et utilisée pour la pression d'application de l'élément de joint et ainsi pour l'obtention de l'étanchéité On distingue des modes de réalisation dans lesquels la bague est montée dans l'en- ceinte sous pression, et d'autres o la bague est montée à l'extérieur. Des bagues d'étanchéité à glissement assurent dans le cas de basses vitesses de rotation, ainsi que dans le cas de pressions statiques élevées, une étanchéité de joint particulièrement bonne, et leur usure, dans ces conditions, est relativement faible A l'état d'arrêt de la machine, avec une faible pression élastique, la pression d'applica- tion est suffisante pour assurer une étanchéité sans dé- fauts. Cependant, dans le cas de grandes vitesses de ro- tation et d'une pression appliquée élevée, des bagues d'étanchéité à glissement se trouvent soumises à une usure pour frottement importante En conséquence, on préfère, dans de tels cas, une garniture d'étanchéité dite "sans contact", par exemple une garniture du type à labyrinthe Dans ces garnitures d'étanchéité, l'énergie de pression et de vi- tesse est abaissée dans des fentes annulaires servant de passages d'étranglement. La présente invention a pour but de réaliser une double bague d'étanchéité à glissement qui, en dépendance de la vitesse de rotation et de la pression appliquée, agisse aussi bien comme étanchéité à glissement que comme étanchéité à labyrinthe. Dans ce but, la présente invention a pour objet une 2 2529987 double bague d'étanchéité à glissement, qui est caractéri- sée en ce qu'elle comprend au moins une bague de glissement assurant l'étanchéité avec au moins un organe fermé clas- sique, qui est commandé en dépendance du mouvement de rotation de la machine à rendre étanche et de la pression appliquée sur la bague, cet organe agissant pour déplacer la bague d'étanchéité en direction axiale de l'arbre. La description ci-après se rapporte à un exemple de réalisation de la bague objet de l'invention expliqué avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe partielle à travers une machine rotative hydraulique dans le cas d'une double bague d'étanchéité à glissement, et la figure 2 est une vue en coupe d'une telle machine dans le cas d'une simple bague d'étanchéité à glissement. La référence 1 désigne l'arbre de la machine sur lequel sont montés les rotors, non représentés L'arbre 1 est supporté dans un stator, désigné dans son ensemble par la référence 2, et pourvu d'un raccord 3 d'introduction de fluide hydraulique, visible à droite dans la figure Les éléments représentés montrent la direction d'écoulement du fluide hydraulique dans la machine. La pression PF, qui règne dans le raccord d'admission, se propage en direction de la flèche entre l'arbre 1 et le stator 2 Le fluide circule autour d'une roue de volant 4 montée sur l'arbre 1 Cette roue de volant engendre une partie de la pression appliquée P 1, et a pour effet un - certain écoulement en retour du fluide hydraulique à tra- vers un canal d'accouplement de retour vers le raccord d'admission 5. La partie restante du fluide se propage, entre le flasque 6 de la roue de volant, et un manchon 7, jusqu'à une chambre 8 placée en avant de la bague d'étanchéité à glissement Dans la chambre 8, règne alors une pression P 2 qui est inférieure à la pression Pl régnant dans l'admission Le palier à bague de glissement se compose de deux bagues de glissement 10 et 11. 3 2529987 La bague de glissement Il est montée fixe dans le flasque 6 de la roue de volant 4 La contre-bague 10 est montée, par contre, dans une partie 9 d'un élément annulaire partagé radialement en deux parties et coulissant, qui est désigné dans son ensemble par la référence 12 La partie 9 est reliée à l'élément annulaire coulissant 12 par l'inter- médiaire d'un soufflet élastique 13, à plis fins. Sur l'élément annulaire coulissant 12, en face de la pièce 9, est montée une autre bague annulaire 14 orientée en opposition à la bague de glissement 10, L'élément coulissant 12 est relié au stator par l'intermédiaire de deux soufflets élastiques concentriques 15 et 16 Le souf- flet extérieur 15 forme, en commun avec le soufflet inté- rieur 16, une chambre annulaire fermée 17, dans laquelle débouche une conduite de pression 18 Sur le côté de l'élément annulaire coulissant 12 faisant face aux soufflets et 16, agissent des ressorts de compression 19. La course axiale de coulissement de l'élément annulai- re 12, est limitée par une butée 20 sous la forme d'une vis de règlage vissée dans le stator Dans la direction d'écou- lement du fluide, la bague de glissement 14 est suivie par une chambre 21 agissant comme emplacement d'étranglement. La pression, qui se trouve ainsi encore diminuée, peut se propager, à partir de la chambre 21, à travers une étanchéité à labyrinthe 22, jusqu'à la face intérieure du couvercle de fermeture 23 entraîné en rotation avec l'arbre 1 Une partie restante encore, mais très réduite, du fluide hydraulique en forme gazeuse s'écoule finalement, entre le stator 2 et le couvercle 23, vers l'extérieur Cette fraction réduite peut être encore réduite, en mettant sous pression, par un ca- nal d'air comprimé 24, l'étanchéité à labyrinthe à partir du côté opposé. Le mode de fonctionnement de la bague d'étanchéité à glissement coulissante conforme à l'invention est expliqué ci-après. Lorsque la machine se trouve à l'arrêt, soit avant la première mise en marche, soit plus tard, il existe cepen- dant une pression exercée par la construction elle-même. Cette pression se propage, comme pression statique jusqu'aux bagues à glissement 10 et 11 Si la machine s'arrête, au- cune pression n'est établie, à travers la conduite de pression 18, dans la chambre fermée de forme annulaire 17, de telle sorte que les soufflets 15 et 16 se contractent et tirent ainsi l'élément annulaire coulissant 12 en direction du flasque 6 de la roue de volant En conséquence, les bagues de glissement 10 et 11 sont appliquées à pression de manière étanche l'une contre l'autre A partir de la chambre 8, une partie de la pression peut cependant se pro- pager à travers la fente étroite entre la pièce 9 et le stator 2 Cette pression agit sur la surface intérieure de l'élément annulaire coulissant 12 et elle a tendance a déplacer cet élément en direction du couvercle 23, contre l'action des soufflets 15 et 16. Cet effet est contrarié par les ressorts de com- pression 19 Le fluide présent, principalement sous forme gazeuse, ne peut pas s'&happer hors de l'espace inter- médiaire entre-le soufflet élastique à plis fins 13 et le soufflet élastique intérieur 16 En conséquence la bague de glissement assure une bonne étanchéité dans le système au repos décrit. Si maintenant la machine est mise en rotation, il règne, dans le raccord d'admission, une pression Pl qui se propage, comme il a été décrit plus haut, jusqu'aux bagues de glissement 10 et 11 Cependant, cette pression Pl est réduite à une valeur P 2 par l'effet de la roue de volant 4 A travers la conduite de pression 18, une pression com- mandée en dépendance de la vitesse de rotation, est alors appliquée sur la chambre annulaire fermée 17. En conséquence les soufflets 15 et 16 sont sollicités en extension par la pression Il en résulte que l'élément annulaire coulissant 12 est déplacé en direction du cou- vercle 23, contre l'action des soufflets 15 et 16 et des ressorts de compression 19 Mais, il en résulte aussi que la partie 9 de l'élément annulaire coulissant partagé en direction radiale 12 est déplacée dans cette même direc- tion, car elle est accrochée, par le soufflet élastique à plis fins 13, à l'élément annulaire 12 Ce déplacement de coulissement a pour effet qu'entre les bagues 10 et Il se forme une fente étroite et que la fente entre la bague 14 et l'arbre 1 devient plus étroite Etant donné qu'une chambre existe) après les bagues 10 et 11, ainsi que, en direction de l'écoulement, après la bague 14, l'ensemble de bague d'étanchéité de glissement fonctionne alors comme une étanchéité à labyrinthe sans contacts La pression dans la chambre 21, qui a été déjà fortement abaissée, se propage maintenant à travers l'étanchéité à labyrinthe. Comme particularité, la bague de glissement 14 pré- sente, lors de la première mise en service, un sur-di- mensionnement En conséquence, il s'établit, à travers la conduite de pression 18, dans la chambre annulaire fermée 17, une sur-pression La bague de glissement 14 est ainsi, tout d'abord, appliquée contre l'épaulement de l'arbre 1, avant que l'élément annulaire coulissant 12 ne vienne s'appliquer contre la butée 20 du stator 1 C'est seulement lors du fonctionnement permanent de la machine, lorsqu'une pression constante est établie dans le système, que la bague 14 se trouve suffisamment rodée pour que la fente mentionnée entre l'arbre 1 et la bague 14 existe Mainte- nant seulement, l'élément annulaire coulissant 12 s'appuie contre la vis de règlage 20 servant de butée. La figure 2 représente un mode de réalisation sim- plifié du palier à bagues de glissement conforme à l'invention On retrouve les éléments conformes à la figure 1, qui ont été décrits précédemment La différence essentielle de la variante conforme à la figure 2 réside en ce que l'élément annulaire coulissant 12 n'est plus partagé radialement en deux parties, la partie 9 étant absente, Dans ce mode de réalisation il est prévu une bague de glissement unique 30 entre le flasque de roue de volant 6 et l'élément annulaire coulissant 12, qui est alors cons- titué en une seule pièce A la pièce 9 partagée radialement de la figure 1, correspond ici un épaulement annulaire 31 saillant radialement vers l'extérieur Une partie de stator vissée 32 s'avance à l'intérieur de l'élément annulaire coulissant 12. L'effet de rappel en arrière des soufflets élastiques et 16 est obtenu ici par des ressorts de compression 33 prévus entre la partie de stator vissée 32 et l'épaulement annulaire 31 de l'élément annulaire coulissant 12 Etant donné que le mode de fonctionnement de cette variante est totalement analogue à celui de la solution décrite pré- cédemment, une nouvelle description de ce fonctionnement devient inutile. L'organe à élasticité de ressort fermé, qui est nécessaire pour le déplacement de coulissement de l'élément annulaire 12, peut être réalisé non seulement sous la forme de soufflets élastiques, mais il peut également consister en tronçons de tuyaux cylindriques engagés entre eux téles- copiquement à joint serré, qui forment ainsi une chambre annulaire variable. La force de rappel en position nécessaire peut être produite par un ressort de compression disposé dans la chambre annulaire Une autre solution peut être envisagée, dans laquelle l'élément annulaire 12 coulissant axialement est déplacé par plusieurs organes à élasticité de ressort. De tels organes peuvent être plusieurs unités cylindre- piston communiquant entre elles. Il faut encore mentionner que les bagues de glis- sement sont constituées avantageusement par des bagues en carbone. 2529987 - R E V E-N D I C A T I O N S 1 Double bague d'étanchéité à glissement, en par- ticulier pour machines hydrauliques, telles que pompes et turbines, dans lesquelles la pression d'étanchéité appliquée est une pression de ressort, bague caract 6 risée par au moins une bague d'étanchéité de glissement ( 10, 30), pourvue d'au moins un organe ( 15, 16, 17) fermé, à élasticité de ressort, lequel est commandé en dépendance du mouvement de rotation de la machine à rendre étanche et de la pression appliquée- sur la bague d'étanchéité, cet organe ( 15, 16, 17) déplaçant axialement la bague par rapport à l'arbre ( 1) de la machine. 2; Bague d'étanchéité suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe fermé à élasticité de res- sort est formé par deux soufflets élastiques concentriques ( 15, 16), l'espace intermédiaire enfermé étant en liaison avec une conduite de pression ( 18). 3 Bague suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe fermé à élasticité de ressort est formé par des tronçons de tuyau concentriques engagés entre eux télescopiquement à joint serré, qui forment une chambre an- nulaire variable, dans laquelle est disposé un ressort de traction,qui contracte entre eux les cylindres de l'organe, cette chambre étant reliée pour son actionnement avec une conduite de pression ( 18). 4 Bague suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la bague d'étanchéité à glissement est fixée sur un élément annulaire ( 12) pouvant coulisser axialement, qui est déplaçable par l'organe à élasticité de ressort ( 15-17). Bague suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément annulaire ( 12) est déplaçable par plusieurs organes à élasticité de ressort. 6 Bague suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les organes à élasticité de ressort consistent en plusieurs unités cylindre-piston communiquant entre elles, qui sont en liaison d'actionnement avec une conduite de pression ( 18). 8 2529987. 7 Bague suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément annulaire ( 12) est partagé en direction radiale et les deux parties -( 9, 12) sont reliées entre elles par un soufflet à élasticité de ressort ( 13). 8 -Bague suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les deux pièces partagées en direction radiale ( 9, 12) comprennent chacune une bague d'étanchéité à glissement ( 10, 14)- 9 Bague suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément annulaire ( 12) est limité dans sa course de coulissement, en direction axiale, par une butée de position règlable ( 20). Bague suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que la bague d'étanchéité à glissement ( 14), limitée par butée en direction axiale, présente, lors de la première mise en service, un sur- dimensionnement, de telle sorte que cette bague s'applique à étanchéité contre la butée ( 20) avant l'élément annulaire coulissant ( 12) partagé en deux parties. 11 Bague suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la bague-d'étanchéité ( 10) est suivie, en di- rection de l'écoulement, par une fente annulaire agissant comme emplacement d'étranglement - 12 Bague suivant la revendication 8, caractérisée en ce que chaque bague d'étanchéité à-glissement ( 10, 14) est suivie, en direction de l'écoulement, par une fente annulaire ( 21) formant point d'étranglement, 13 Bague suivant la revendication 1, caractérisée. * en ce que les bagues d'étanchéité à glissement sont des anneaux en carbone ( 10, 14). 14 Bague -suivant la revendication 4, caractérisée en ce que, sur l'élément annulaire ( 12), agit au moins un ressort de compression ( 19, 33), qui renforce la force de rappel en position de l'organe à élasticité de ressort ( 15, 16, 17).