Brevet FR2528255A1 — publié le 19831209

La présente invention concerne un procédé pour réaliser l'étanchéité d'un moteur immergeable. L'invention concerne également un moteur utilisant ce procédé, destiné à fonctionner en immer- sion totale et permanente, notamment pour l'entraine- ment de pompes en puits forés. Un tel moteur électrique est logé dans une enceinte cylindrique et généralement accouplé à une pompe axiale Cette enceinte comprend, pour la sortie d'arbre du moteur, une garniture tournante, dont une pièce est solidaire de l'arbre, l'autre étant solidaire de l'enceinte. L'enceinte est remplie d'une huile prévue notamment pour assurer la lubrification des paliers du moteur et le refroidissement des enroulements, et pour homogénéiser la température Il est prévu, dans certains types de moteurs, d'assurer une circulation de cette huile au moyen d'un pompage. Le moteur peut comporter une réserve d'huile contenue dans un réservoir à volume variable en contact avec le milieu extérieur, de manière à réaliser une "équipression" entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte. Cependant, le fonctionnement en équipression est en général incompatible avec la bonne tenue de la garniture tournante Le liquide pompé contient en effet toujours des impuretés minérales qui peuvent s'intro- duire entre les deux parties coopérantes de la garni- ture et provoquer sa destruction rapide. On a tenté de résoudre ce problème en éta- blissant une surpression d'huile contenue dans le moteur sur la garniture, de manière à ménager une fuite d'huile vers l'extérieur du moteur en balayant les impuretés Cette surpression peut être obtenue au moyen d'un piston actionné par un ressort, la course du piston définissant la durée d'utilisation du groupe L'inconvénient de cette solution est de faire apparaître, au début du fonctionnement, une surpres- sion importante, qui provoque un important débit de fuite De plus, les variations de température du fluide moteur (qui sont importantes lors des arrêts du groupe de pompage) provoquent des variations de volume entraînant un mouvement de va-et-vient du pis- ton L'étanchéité entre le piston et son enveloppe est peu à peu détruite par suite de la corrosion du système en contact avec le liquide pompé En outre, les durées d'utilisation ainsi obtenues sont notablement diminuées. La présente invention vise à réaliser un procédé d'étanchéité pour un moteur dans lequel la garniture tournante soit préservée par l'application d'une surpression sensiblement constante dans des con- ditions optimales. Ce résultat est obtenu, suivant l'invention, en prélevant une partie du liquide dans une zone à haute pression du circuit de lubrification pour l'in- jecter vers la garniture étanche, et en retournant au moins la plus grande partie de ce liquide à la zone de prélèvement. Cette surpression sur la garniture est engen- drée par les moyens de pompage du circuit de lubrifi- cation et de refroidissement La fuite d'huile est ainsi constamment contrôlée et son débit peut être prédéter- miné à une valeur optimale En particulier, on peut réduire cette fuite à une valeur de l'ordre du centi- mètre cube/heure, ce qui permet, avec une réserve d'huile de l'ordre des dizaines de litres, d'obtenir un fonctionnement de l'ordre des dizaines de milliers d'heures sans remontée de la motopompe. Suivant un autre aspect de l'invention, le moteur immergeable comprend une enceinte étanche munie d'une garniture tournante pour la sortie de l'arbre et un premier circuit de liquide de lubrification et de refroidissement relié à un réservoir dudit liquide agencé pour soumettre le liquide qu'il contient à la pression du milieu extérieur Ce premier circuit com- prend des moyens de pompage et présente une résistance hydraulique entre lesdits moyens de pompage et ledit réservoir Le moteur est caractérisé en ce qu'il com- prend un second circuit dudit liquide en communication avec le premier circuit dans une zone située au voisi- nage desdits moyens de pompage, du côté haute pression, ce second circuit étant muni de moyens de circulation et s'étendant au contact de la garniture tournante. Suivant une réalisation préférée de l'inven- tion, les moyens de pompage comprennent un disque calé sur l'arbre et percé dans son épaisseur de canaux radiaux, une première série de ces canaux faisant communiquer un canal coaxial à l'arbre avec un espace périphérique en relation avec les deux circuits, et une seconde série de canaux fermant le second circuit et constituant les moyens de circulation de ce second cir- cuit. Grâce au mélange qui se produit dans l'es- pace périphérique commun aux deux circuits, le Eecond *circuit joue en outre un rôle de refroidissement de la garniture. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exem- ple non limitatif: la figure 1 est une vue longitudinale tronquée, avec demi-coupe, du moteur et du raccorde- ment étanche avec la pompe; la figure 2 est une vue en coupe agrandie de la zone du raccordement étanche, suivant II-II de la figure 3; la figure 3 est une vue en coupe transver- sale suivant III-III de la figure 2. En référence à la figure 1, le moteur de la motopompe comprend un arbre 1 porté par un certain nombre de paliers 2, sur lequel sont calés un certain nombre de rotors 3 coopérant avec un stator 4 solidaire d'une enceinte 5. L'arbre 1 est foré sur presque toute sa lon- gueur d'un canal axial 6 qui débouche à l'extrémité 7 de l'arbre opposée à l'extrémité 8 qui s'accouple à l'arbre de la pompe (non représenté). Vers son extrémité 8 voisine de la pompe, l'arbre 1 porte un disque 9 (figures 2 et 3) calé sur lui et prenant appui sur des sabots 11 de butée axiale. Ce disque est logé dans une cavité de l'enceinte 5 ménageant autour de lui un espace périphérique 12 et il est percé dans son épaisseur d'une première série de canaux radiaux 13 qui débouchent d'une part dans cet espace périphérique et d'autre part dans un évide- ment annulaire 14 en relation avec des canaux radiaux de l'arbre 1 débouchant dans le canal axial 6 de cet arbre. L'enceinte 5 étant remplie d'huile, on com- prend que, par l'effet centrifuge dû à la rotation du disque 9, une circulation d'huile s'établit à travers lestator et les rotors, vers la gauche de la figure 1, le retour s'effectuant par le canal axial 6, et l'es- pace périphérique 12 constituant la zone à haute pression du circuit. Une réserve d'huile de volume variable en communication avec le moteur est logée à la partie inférieure de celui-ci entre l'enceinte 5 et une mem- brane souple annulaire 16, cette membrane étant en contact avec le milieu extérieur, de manière à réaliser une égalité de pression entre ce milieu extérieur et la partie de l'enceinte la plus éloignée de la pompe. Une pièce intermédiaire 17 relie l'enceinte 5 du moteur à un corps de pompe 18 Dans cette pièce est fixée une bague d'appui 19 sur laquelle repose la partie fixe 21 a d'une garniture tournante 21 par l'in- termédiaire d'un joint annulaire 22 La partie mobile 21 b de cette garniture est fixée sur l'arbre 1 par l'intermédiaire d'un joint annulaire 23 et elle est appliquée sur la partie fixe au moyen d'un ressort 24 prenant appui sur un épaulement 25 de l'arbre Au voisinage de la garniture, la pièce 17 présente une cavité 26. Le disque 9 comporte une seconde série de canaux radiaux 27 pratiqués dans son épaisseur et débouchant d'une part dans l'espace périphérique 12 et d'autre part dans autant de canaux longitudinaux 28 pratiqués dans un manchon 29 qui prolonge le disque vers la sortie d'arbre. Les canaux 28 débouchent dans une cavité 31 de la pièce 17 qui communique avec la cavité 26 par des canaux 32 en barillet D'autres canaux 33, également en barillet, font communiquer l'espace périphérique 12 avec la cavité 26 On est donc en présence d'un second circuit d'huile, dans lequel l'huile, partant de l'es- pace 12 sous l'effet de la rotation du disque, atteint la cavité 26 pour passer au voisinage de la garniture 21 et revenir par les canaux 32 Un déflecteur 34 placé dans la cavité 26 oblige l'huile à passer très près du plan de coopération des deux parties de la garniture. Ce second circuit d'huile possède en commun avec le premier l'espace périphérique 12 o l'huile des deux circuits se mélange, ce qui procure un effet de refroidissement de la garniture. D'autre part, en raison de la perte de charge dans l'entrefer entre stators et rotors qui constitue le retour du premier circuit, la rotation du disque 9 engendre une surpression dans l'espace périphérique 12, par rapport au canal axial 6, lui- même sensiblement à la pression du milieu ambiant par le système d'équilibrage situé à la partie inférieure du moteur Cette surpression se transmet à la cavité 26 par les canaux 33 Dans l'exemple décrit, le premier circuit est réalisé de manière qu'au voisinage de la garniture cette surpression soitde l'ordre du bar. Sous l'effet de cette surpression, les deux parties de la garniture laissent passer un débit de fuite qui, dans ces conditions, est de l'ordre du cm 3/h et est automatiquement remplacé dans l'enceinte par prélèvement permanent sur la réserve ménagée à la par- tie inférieure du moteur. Ce débit très faible de fluide propre per- met un fonctionnement dans des conditions optimales de plusieurs milliers d'heures sans avoir à remonter la motopompe pour rechargement, eu égard au volume de la réserve. La faiblesse du débit a encore pour avantage de n'écarter que très peu les deux parties de la gar- niture, de sorte que, pratiquement, elles ne cessent jamais de coopérer dans les conditions prévues. Malgré sa faiblesse, ce débit est suffisant pour empêcher l'intrusion de toute particule solide provenant du liquide pompé et susceptible de venir au contact des faces de frottement de la garniture. L'invention permet ainsi de réaliser un débit de fuite déterminé à l'avance et constant pen- dant toute la durée de la réserve d'huile. Une pièce de protection 35 est calée sur l'arbre 1 du côté extérieur de la garniture 21 par rapport à l'enceinte 5 Cette pièce comporte un rebord périphérique 36 qui s'étend jusqu'au voisinage de l'en- ceinte En outre, ce rebord épouse de près la forme de la bague d'appui 19 pour former un joint labyrinthe constituant une barrière dynamique s'opposant à la pénétration éventuelle d'impuretés au contact de la garniture. Des canaux radiaux 37 sont pratiqués dans l'enceinte 5, vis-àvis du joint labyrinthe, pour l'évacuation de la fuite d'huile. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais couvre toute variante accessi- ble à l'homme de l'art. Notamment, le mot "huile" doit être consi- déré comme désignant tout liquide de lubrification et/ou de refroidissement. REVENDICATIONS 1 Procédé pour réaliser l'étanchéité d'un moteur immergeable dans un milieu extérieur, comprenant une enceinte munie d'une garniture tournante pour la sortie de l'arbre et un circuit de lubrification et de refroidissement dont une zone basse pression est soumise à la pression du milieu extérieur et dont une autre zone est soumise à une haute pression par des moyens de pompage, caractérisé en ce qu'on prélève une partie dudit liquide dans la zone à haute pression pour l'injecter vers la garniture étanche, au moins la plus grande partie de ce liquide injecté faisant retour à la zone de prélèvement. 2 Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la zone à haute pression, la pression du liquide est supérieure de 0,3 à 3 bars à la pression du milieu extérieur. 3 Moteur immergeable pour fonctionnement en immersion totale et permanente dans un milieu extérieur, notamment pour l'entraînement de pompes en puits forés, comprenant une enceinte ( 5) étanche munie d'une garniture tournante ( 21) pour-la sortie de l'arbre ( 1) et un premier circuit ( 6, 15, 13, 12) de liquide de lubrification et de refroidissement relié à un réservoir ( 16) dudit liquide agencé pour soumettre le liquide qu'il contient à la pres- sion du milieu extérieur, ce premier circuit comprenant des moyens de pompage ( 9, 13) et présentant une résistance hydraulique entre lesdits moyens de pompage et ledit réser- voir ( 16) caractérisé en ce qu'il comprend un second cir- cuit ( 27, 28, 32, 26, 39) dudit liquide en communication avec le premier circuit dans une zone ( 12) située au voi- sinage desdits moyens de pompage, du côté haute pression, ce second circuit étant muni de moyens de circulation ( 9, 27) et s'étendant au contact de la garniture tour- nante ( 21). 4 Moteur conforme à la revendication 3, carac- térisé en ce que les moyens de pompage du premier circuit :528255 comprennent un disque ( 9) calé sur l'arbre ( 1) et percé dans son épaisseur de canaux radiaux, une première série ( 13) de ces canaux faisant communiquer un canal ( 6) coaxial à l'arbre avec un espace périphérique ( 12) en relation avec les deux circuits, et une seconde série ( 27) de canaux fermant le second circuit et constituant les moyens de circulation de ce second circuit. Moteur conforme à l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce de protection ( 35) calée sur l'arbre du côté extérieur de la garniture tournante ( 21) par rapport à l'enceinte ( 5), cette pièce présentant un rebord périphérique ( 36) s'éten- dant au voisinage de l'enceinte pour constituer, avec cette enceinte, un joint labyrinthe à effet centrifuge.