Brevet FR2535429A1 — publié le 19840504

La présente invention se rapporte à un joint annulaire flexible en torsion formé comme un bague d'étanchéité élastique métallique pour deux corps annulaires creux concentriques dans lesquels circule un fluide à haut E pression et haute température La bague d'étanchéité comprend une partie centrale inclinée ou conique, une première partie d'étanchéité curviligne à l'une des extrémités de la partie centrale et une seconde partie d'étan- chéité curviligne à l'autre extrémité de la partie centrale Cette bague d'étanchéité est particulièrement utile dans les moteurs à turbine entre des corps annulaires creux concentriques qui ont des coefficients de dila- tation thermique différents et qui sont exposés à des températures pouvant s'élever à environ 7600 C et à des pressions de 28 à 35 kg/cm 2. Des bagues d'étanchéité métalliques élastiques sont universellement connues dans la technique pour réaliser une étanchéité entre deux corps annulaires creux concentriques accouplés dans lesquels circule un fluide à haute température et pression Ces bagues d'étanchéité ont de nombreuses configurations, qui dépendant généralement de la cavité devant être étanchée Bien que ces joints soient efficaces dans un grand nombre de situations, un besoin existe depuis longtemps d'une bague d'étanchéité métallique élastique capable de maintenir un joint hermétiqge entre deux surfaces cylindriques qui se dilate dans des proportions différentes, par suite de la différence de leurs températures ou de leurs coefficients de dilatation thermique Le problème fondamental quepose la réalisation d'un tel joint résulte du fait que la dilatation des burfaces cylindriques tend à comprimer le joint au-delà de ses limites élastiques, de sorte que ce joint ne récupère pas sa configura- tion d'étanchéité après que le cycle de dilatation est achevé En d'autres termes, la largeur de la section de la bague d'étanchéité a été diminuée de façon permanente, provoquant ainsi un commencement de fuite presque dès que les surfaces cylindriques qui se sont dilatées différemment commencent à revenir à leurs dimensions initiales Ceci est généralement de à des défor- mations de flexion appréciables dans les joints. Comme exemples de brevets américains décrivant des joints annulaires de la technique antérieure, on peut citer le brevet 2 774 618 de Alderson; 3 490 777 de Emmerson; 3 561 793 de Rode; 3 751 048 de Rode; 3 797 836 de Halling; 3 857 572 de Taylor et al; 3 869 132 de Taylor et al. 253 r 5429 4 054 306 de Sadoff, Jr et al; 4 121 843 de Halling; 4 218 067 de Halling; 4 281 841 de Kim et al; et 4 336 943 de Chaplin Le brevet anglais No 1 511 384 décrit aussi un joint annulaire appartenant à la techni- que antérieure. En conséquence, le but principal de l'invention est de fournir un joint annulaire flexible en torsion sous la forme d'une bague d'étanchéité élastique métallique qui est capable d'établir et de maintenir un joint efficace entre deux corps annulaires que traverse un fluide à haute pres- sion et température et qui ont des coefficients de dilatation thermique différents. Un autre but de l'invention est de fournir une bague d'étanchéité élastique métallique qui peut conserver ses capacités d'étanchéité durant les déplacements axiaux des corps annulaires. Un autre but de l'invention est de réaliser une bague d'étanchéité élastique métallique qui absorbe l'expansion et la contraction radiales de corps annulaires adjacents dans les limites élastiques, au moyen d'une flexion de rotation, et non pas d'une déformation de flexion et qui assure l'étanchéité le long de lignes d'étanchéité circulaires situées dans des plans différents. L'invention atteint les buts qu'elle s'est fixés par une bague d'étanchéité métallique élastique qui comprend une partie annulaire inclinée centrale ayant une première et une seconde extrémités; une première partie d'étanchéité annulaire s'étendant de la première extrémité de la partie cen- trale et qui a une section curviligne; et une seconde partie d'étanchéité annulaire s'étendant de la seconde extrémité de la partie centrale et qui a une section curviligne. De préférence, la première et la seconde parties d'étanchéité ont une section pratiquement semi-circulaire, sa partie centrale s'inclinant vers le haut et vers l'intérieur de la seconde extrémité vers la première, cependant que la première et la seconde parties d'étanchéité s'étendent radialement vers l'intérieur de la partie centrale. Dans un premier mode de réalisation représenté sur les figures 1-5, la partie centrale de la bague d'étanchéité est tronconique et s'incline suivant un angle d'environ 600 avant l'installation et d'un angle d'environ 750 après l'installation et sous la précontrainte. Dans un second mode de réalisation représenté sur les figur 7 es 6-8, la partie centrale comprend une partie concave s'étendant de la seconde partie d'étanchéité et une partie convexe s'étendant de la première partie d'étanchéité. Ces deux parties d'étanchéité, s'étendant de la partie centrale inclinée, forment un joint avec des surfaces cylindriques intérieures et extérieures définies par les deux corps annulaires concentriques, l'étanchéité comprenant, au moins deux lignes d'étanchéité circulairessituéee dans des plans différents. D'autres caractéristiques et-avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence au dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une coupe longitudinale à travers un ensemble d'étanchéité conforme à l'invention incluant la bague d'étanchétité élastique métallique en position d'étanchéité entre les surfaces intérieures et extérieures cylindriques définies par deux corps annulaires; la figure 2 est une vue semblable à la figure 1 mais o la poussée exercée par la pression du fluide circulant dans les corps annulaires a déplacé la bague d'étanchéité contre une surfaceannulaire orientée axiale- ment s'étendant de la surface cylindrique intérieure; la figure 3 est une vue, partiellement éclatée, semblable à la figure 1, montrant la bague d'étanchéité en place sur le corps intérieur et prête à être reçue dans le corps extérieur, cette bague d'étanchéité n'étant pas précontrainte; la figure 4 est une coupe longitudinale de la bague d'étanchéité des figures 1-3, montrant celle-ci en état de repos, non chargée; la figure 5 est une vue de face de la bague d'étanchéité de la figure 4 la figure 6 est une vue en coupe d'une bague d'étanchéité modifiée dont la région centrale comporte une partie convexe et une partie concave la figure 7 est une coupe longitudinale de la bague d'étanchéité de la figure 6, montrant celle-ci installée entre deux corps annulaires, mais avant d'être exposée à la pression; et la figure 8 est une vue semblable à la figure 7, mais qui montre la bague d'étanchéité exposée à l'action d'une pression qui la déplace au contact de la surface orientée axialement s'étendant de la surface cylin- drique intérieure et de plus, montrant la partie convexe de la région centrale déplacée de façon à former un joint avec la surface cylindrique extérieure. En se référant aux figures 1 à 5, on voit un ensemble d'étanchéité 10 conforme à l'invention qui comprend une bague d'étanchéité élastique métallique 12 destinée à former un joint entre une première surface cylindri- que 14 faisant partie de la surface intérieure d'un premier corps annulaire creux extérieur 16 et une seconde surface cylindrique concentrique 18 faisant partie de la surface extérieure d'un second corps annulaire creux intérieur 20 La section de la bague d'étanchéité 12 peut être déformée par une torsion de l'état représenté sur la figure 3 à l'état de précon- trainte représenté sur les figures 1 et 2 de sorte qu'elle peut se déformer par une torsion dans un sens de rotation ou dans l'autre sous les effets de la dilatation thermique du premier et du second corps Ceci est dû au fait que l'action des différentes parties d'étanchéité se situe dans des plans différents, comme il est décrit plus loin. Comme on le voit clairement sur la figure 3, le premier corps annulaire extérieur 16 a une forme tubulaire et comprend, au-dessus de la surface intérieure cylindrique orientée radialement vers l'intérieur 14, une surface tronconique s'inclinant vers l'intérieur et vers le bas 22 dont la pente est d'environ 60 30 ' Cette pente a pour but de faciliter l'assemblage et pourrait s'élever jusqu'à environ 150, le cas échéant Sous la surface cylindrique intérieure 14 s'étend une surface annulaire incurvée qui se prolonge par une surface annulaire orientée axialement 26 qui, de son côté, se raccorde à une surface tronconique inclinée vers l'intérieur et vers le bas 27 Cette surface tronconique est inclinée suivant un angle sensiblement égal à celui de la surface tronconique 22 La surface tron- conique 27 se jette dans une surface cylindrique orientée vers l'intérieur 28 sur laquelle circule le fluide à haute température et pression. Le second corps intérieur 20 comporte, sous la surface cylindrique orientée radialement vers l'extérieur 18, une surface tronconique s'inclinant vers l'intérieur et vers le bas 31 qui aboutit à une surface annulaire orientée axialement 32 Au-dessus de la surface cylindrique 18 s'étend une surface annulaire orientée axialement 34 quiest perpendiculaire à la sur- -face 18 Au-dessus de la surface 34 s'étend une surface tronconique incli- née vers le bas et vers l'intérieur 35 qui se prolonge par une surface cylindrique tournée vers l'extérieur 36 Comme on le voit sur les figures 1-3, le second corps 20 est creux et comporte une extrémité présentant un passage délimité par une surface annulaire 32, de sorte que le fluide à haute pression et température circulant le long du premier corps 16, peut traverser l'ensemble d'étanchéité 10 pour gagner le second corps 20 Comme représenté sur la figure 3, la surface tronconique 31 est inclinée d'un angle d'environ 15 On relie le premier et le second corps ensemble, après que la bague d'étanchéité 12 a été mise en place d'une manière classique quelconque qui permet un mouvement axial relatif sous l'action de la dilatation thermique, sans cependant que ce mouvement axial soit suffisant pour écraser la bague 12. Comme représenté sur les figures 3, 4 et 5, la bague d'étanchéité 12 comprend une partie centrale conique ou inclinée 42 ayant une première extrémité 43 et une seconde extrémité 44, une première partie d'étanchéité annulaire 46 s'étendant à la première extrémité de la partie centrale, et une seconde partie d'étanchéité annulaire 47 s'étendant à la seconde extré- mité de cette partie centrale Chacune de ces deux parties d'étanchéité a une section curviligne, cette section étant sensiblement semi-circulaire. Les parties d'étanchéité s'étendent chacune radialement vers l'intérieur de la partie centrale 42 Cette partie centrale s'incline vers l'intérieur et vers le haut de la seconde extrémité 44 à la première extrémité 43 et est tronconique, sa pente étant représentée comme étant d'environ 600 sur la figure 4, bien que son angle de conicité puisse varier selon les dimensions de la cavité recevant la bague et selon la dilatation possible des corps annulaires Le diamètre de la première partie d'étanchéité 46 est plus petit que celui de la seconde partie 47, cette première partie d'étan- chéité étant destinée à s'appliquer de manière étanche contre la surface cylindrique orientée vers l'extérieur 18 du second corps intérieur, tandis que la seconde partie d'étanchéité 47 est destinée à s'appliquer de manière étanche contre la surface cylindrique orientée vers l'intérieur 14 du premier corps 16 comme on le voit sur les figures 1-3. De préférence, la partie centrale et les deux parties d'étanchéité de la bague d'étanchéité sont formées d'une pièce dans un alliage à haute 255 4429 température trempé par précipitation tel que le Waspaloy ou l'Inconel. Dans l'ensemble d'étanchéité particulier 10 représenté sur les figures 15, le diamètre extérieur de la bague d'étanchéité est 231,9-232,03 mm, le diamètre intérieur est 222-222,123 mm, la hauteur est 10,16 mm et l'épais- seur de la matière est 0,254 mm Le rayon de courbure de la première et de la seconde parties d'étanchéité 46 et 47 de la bague est d'en- viron 1,6 mm Le diamètre de la surface cylindrique tournée vers l'intérieur 14 du premier corps est 231,52-231,65 mm et le diamètre de la surface cylin- drique tournée vers l'extérieur 18 du second corps est 222,377-222,50 mm. Le rayon de courbure de la surface annulaire incurvée 25 est 1,016-1,524 mm et la longueur axiale de la surface cylindrique 14 est au minimum de 14,1 mm. Etant donné que la bague d'étanchéité glisse souvent et que les surfaces contre lesquelles elle frotte sont susceptibles de s'user, il est avanta- geux d'appliquer un revêtement résistant à l'usure sur la bague d'étanchéité ou sur les surfaces cylindriques 14 et 18 Une telle combinaison appropriée pour des applications d'environ 5380 C est un revêtement de Tribaloy 800 sur la bague d'étanchéité et un revêtement de Tribaloy 700 sur les surfaces cylindriques 14 et 18 En variante, la bague d'étanchéité pourrait être couverte de Tribaloy 800 et la matière formant le premier et le second corps dans la région des surfaces cylindriques 14 et 18 peut être en Incoloy 913. Cet ensemble d'étanchéité peut avantageusement être utilisé jusqu'à des températures de 7600 C et sous des pressions de 28-35 kg/cm Pour assembler l'ensemble d'étanchéité 10, on place d'abord la bague d'étanchéité 12 sur la surface cylindrique 18 du second corps 20 avec un jeu d'ajustement d'environ 0,254-0,508 mm, comme représenté sur la figure 3 Ensuite, on approche le premier corps 16 axialement vers le second, de sorte que la seconde partie d'étanchéité 47 de la bague d'étanchéité vient s'appliquer contre la surface tronconique 22 du premier corps La continua- tion du mouvement axial du premier corps vers le second, provoque une flexion orientée radialement vers l'intérieur de la bague d'étanchéité, en lui im- posant une certaine précontrainte, jusqu'à ce que la seconde partie d'étan- chéité 47 soit complètement dans la surface cylindrique 14 du premier corps, comme on le voit sur la figure 1 On continue ce mouvement axial jusqu'à ce que la bague 12 soit enfermée dans la cavité délimitée par les surfaces 14, 18, 26 et 34 avec un jeu axial suffisant pour permettre des mouvements axiaux opératoires des corps sans qu'il en résulte une compression axiale de la bague, comme représenté sur la figure 1 On relie ensuite les corps d'une manière classique Dans cette position, la bague d'étanchéité précon- trainte peut subir une flexion de torsion telle qulelle s'incline d'un angle d'environ 750 Comme le montre la figure 1, une ligne d'étanchéité circulaire primaire 49, esquissée en traits mixtes, est établie entre la surface cylindrique 18 et la surface intérieure de la première partie d'é- tanchéité 46 de la bague d'étanchéité -De plus, une seconde ligne d'étan- chéité circulaire primaire 50, esquissée en tirets, est établie dans un plan différent par le contact de la surface extérieure de la seconde par- tie d'étanchéité 47 avec la surface cylindrique orientée vers l'intérieur 14 du premier corps Ainsi, la bague 12 étanche effectivement la cavité délimitée par les surfaces cylindriques opposées 14 et 18, la surface annulaire orientée axialement 34 du second corps et la surface annulaire orientée axialement 26 du premier corps. Quand un fluide à haute pression est introduit dans l'ensemble 10, la pression pousse la bague d'étanchéité 12 contre la surface orientée axialement 34, comme le montre la figure 2 Ainsi, les lignes d'étanchéité circulaires primaires 49 et 50 sont déplacées axialement, mais une ligne d'étanchéité circulaire secondaire 51 est établie entre la surface supérieure de la première partie d'étanchéité 46 et la surface annulaire orientée axialement 34, comme le montre la figure 2 Il est bien évident que ces lignes d'étanchéité circulaires sont constamment situées dans des plans différents. Dans la situation représentée sur la figure 1 ou 2, la dilatation thermique ou un léger déplacement axial du premier et du second corps a pour résultat que leur étanchéité est maintenue par la bague 12 du fait de sa précontrainte et de ses possibilités de flexion par torsion ou rota- tion En général, la rigidité de flexion des parties d'étanchéité est plus grande que la rigidité de torsion de la partie centrale, de sorte que la dilatation des corps se traduit par une flexion de torsion de la partie centrale, plutôt que par une flexion des parties d'étanchéité, puisque ces dernières sont dans des plans différents. Le jeu d'ajustement mentionné ci-dessus en ce qui concerne la sur- face 18 et la bague 12 n'a que le caractère d'un exemple car cet ajustement 2 f 555429 doit être réglé pour chaque cas particulier de façon à permettre des diffé- rents degrés de dilatation thermiques des matières spécifiques utilisées. Les figures 6 à 8 représentent un second mode de réalisation de l'invention o les configurations du premier et du second corps 16 et 20 sont les mêmes, tandis que la configuration de la bague d'étanchéité 12 ' est différente En conséquence, les références numériques utilisées en ce qui concerne le premier et le second corps sur les figures 1 à 5 sont les mêmes. *Comme on le voit sur la figure 6, la bague d'étanchéité 12 ' comprend une partie centrale inclinée 42 ' ayant une première et une seconde extrémités 43 ' et 44 ', une première partie d'étanchéité 46 ' s'étendant de la première extrémité et une seconde partie d'étanchéité 471 s'étendant de la seconde extrémité Cette structure est semblable à celle décrite plus haut à propos de la bague d'étanchéité 12 Toutefois, dans ce mode de réalisation la partie centrale 42 ' présente une partie concave 54 s'étendant de la seconde partie d'étanchéité 47 ' et une partie convexe 55 s'étendant de la première partie d'étanchéité 46 ', ces parties concave et convexe se jetant l'une dans l'autre près du milieu de la partie centrale. L'assemblage et le fonctionnement de la bague d'étanchéité 12 ' sont semblables à ce qui a été décrit ci-dessus à propos de la bague d'étanchéité 12, sauf que la bague d'étanchéité 12 ' est mieux adaptéapour des environne- ments à pression plus élevés. Ainsi, après que la bague d'étanchéité 12 ' a été installée comme représenté sur la figure 7, une ligne d'étanchéité primaire 49 ', esquissée en traits mixtes, est établie entre la surface cylindrique 18 et la première partie d'étanchéité 46 ' De la même façon, une seconde ligne d'étanchéité circulaire primaire 50 ', esquissée en traits mixtes, est établie aux points de contact de la seconde partie d'étanchéité 47 ' et de la surface cylindri- que orientée vers l'intérieur 14 Cette situation est représentée sur la figure 7, o la partie convexe 55 de la bague d'étanchéité 12 ' touche légèrement ou est légèrement espacée de la surface cylindrique 14. Toutefois, lors du passage d'un fluide à haute pression et tempéra- ture dans le premier et le second corps 16 et 20, la bague d'étanchéité 12 ' se déplace axialement à la position représentée sur la figure 8 Dans cette situation, les lignes d'étanchéité circulaires primaires 49 ' et 50 ' se- sont déplacées vers le haut et de plus, une ligne d'étanchéité circulaire secondaire 51 ' s'est établie entre la surface supérieure de la première partie d'étanchéité 46 ' et la surface annulaire orientée axialement 34 De plus, une seconde ligne d'étanchéité circulaire secondaire 52 ' s'est établie entre la partie convexe orientée vers l'extérieur et maintenant fléchie vers l'extérieur de la bague d'étanchéitié et la surface cylindrique orientée vers l'intérieur 14 du premier corps 16 L'addition de cette ligne d'étan- chéité supplémentaire renforce la capacité d'étanchéité de la bague 12 '. Il va de soi que de nombreuses modificationspeuvent être apportées aux exemples de réalisation représentés et décrits, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Bague métallique d'étanchéité élastique, caractérisée en ce qu'elle comprend: une partie annulaire inclinée centrale ( 42) ayant une première et une seconde extrémités( 43, 44); une première partie d'étanchéité annulaire ( 46) s'étendant de la première extrémité ( 43) de la partie centrale et qui a une section curvi- ligne; et une seconde partie d'étanchéité annulaire ( 47) s'étendant de la seconde extrémité ( 44) de la partie centrale ( 42) et qui a une section curviligne. 2 Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première partie d'étanchéité ( 46) a une section pratiquement semi-circulaire. 3 Bague d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisée en ce que la seconde partie d'étanchéité ( 47) a une section pratiquement semi- circulaire. 4 Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en-ce que ladite partie centrale s'incline vers le haut et vers l'intérieur de la seconde extrémité ( 44) vers la première extrémité ( 43). Bague d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'inclinaison ou la conicité de ladite partie centrale ( 42) est d'en- viron 600. 6 Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie d'étanchéité ( 46) a un diamètre plus petit que celui de la seconde partie d'étanchéité ( 47). 7 Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première partie d'étanchéité ( 46) s'étend radialement à l'in- térieur de ladite partie centrale ( 42), et en ce que ladite seconde partie d'étanchéité ( 47) s'étend radialement à l'intérieur de ladite partie cen- trale ( 42). 8 Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite partie centrale '( 42) est tronconique. 9 Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite partie centrale ( 42) comprend une partie concave ( 54) s'étendant de ladite seconde partie d'étanchéité, et une partie convexe ( 55) s'étendant de ladite première partie d'étanchéité. Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite partie centrale ( 42 ') est inclinée vers le haut et vers l'in- térieur de ladite seconde extrémité ( 47 ') vers ladite première extrémité ( 46 '), en ce que ladite première partie d'étanchéité ( 46 ') s'étend radiale- ment à l'intérieur de ladite partie centrale ( 42 '), et en ce que ladite seconde partie d'étanchéité ( 47 ') s'étend radialement à l'intérieur de ladite partie centrale ( 42 '). 11 Ensemble d'étanchéité pour un premier et un second corps con- centriques ( 20, 22) qui sont reliés ensemble et qui sont traversés par un fluide à haute pression et haute température, caractérisé par la com- binaison comprenant: - une première surface cylindrique orientée radialement vers l'in- térieur sur le premier corps ( 20); une surface cylindrique orientée radialement vers l'extérieur sur le second corps ( 22), qui est alignée avec et est espacée radialement à l'intérieur de ladite première surface cylindrique dudit premier corps une surface annulaire, orientée axialement sur le second corps s'étendant radialement vers l'extérieur de ladite seconde surface cylin- drique; et une bague d'étanchéité métallique élastique ( 12) interposée entre- lesdites première et seconde surfaces cylindriques pour étancher la cavité délimitée entre lesdites surfaces cylindriques, ladite bague d'étanchéité comprenant une partie centrale inclinée ayant une première et une seconde extrémités ( 43, 44), une première partie d'étanchéité ( 46) s'étendant de la première extrémité de ladite partie centrale et qui a une section cur- viligne pour venir s'appliquer contre ladite seconde surface cylindrique et ladite surface annulaire orientée axialement, et une seconde partie d'étanchéité ( 47) s'étendant de ladite seconde extrémité de ladite partie centrale et ayant une section curviligne pour venir s'appliquer contre ladite première surface cylindrique. 12 Ensemble d'étanchéité selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite partie cylindrique de la bague d'étanchéité ( 12) est tron- conique. ú 53 t 5429 13 Ensemble d'étanchéité selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite partie centrale de la bague d'étanchéité ( 12) comprend une partie convexe ( 55) s'étendant de ladite première partie d'étanchéité pour venir s'appliquer contre ladite première surface cylindrique sous l'influence de la pression du fluide traversant le premier et le second corps, et une partie concave ( 54) s'étendant de ladite seconde partie d'étanchéité. 14 Ensemble d'étanchéité selon la revendication 11, caractérisé en ce que la première partie d'étanchéité ( 46) a une section pratiquement semicirculaire, et en ce que la seconde partie d'étanchéité ( 47) a une section pratiquement semi-circulaire.