Brevet FR2541414A1 — publié le 19840824

Dispositif d'étanchéité pour arbre de machines tournantes. L'invention est relative à un dispositif d'étanchéité pour arbre de machines tournantes telles que pompes (centrifuges, volumétriques, rotatives), compresseurs, pompes à vide, compteurs volumétriques, agitateurs, etc..., cet arbre communiquant son mouvement par l'une de ses extrémités à un organe mécanique. La plupart des dispositifs connus de ce genre (presse-étoupe, bague d'étanchéité, garniture mécanique etc...) réalisent l'étanchéité par frottement, donc avec une usure qui, à la longue, provoque des fuites. Lorsque l'organe mécanique susvisé est constitué par un deuxième arbre coaxial au premier, le dispositif d'étanchéité peut être une simple paroi étanche en matériau amagnétique, séparant les deux arbres, le premier arbre communiquant son mouvement au deuxième arbre par un entraînement magnétique, mais cette solution, bien que supprimant les frottements, présente l'inconvénient de limiter le couple d'entraînement. L'invention a pour but de créer un dispositif d'éLanchéité qui soit pratiquement exempt de frottements et qui n'impose aucune limitation au couple d'entraînement. Pour atteindre ce but, le dispositif d'étanchéité conforme à l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend un manchon étanche approximativement cylindrique dont une extrémité longitudinale est ouverte de façon à permettre à la susdite extrémité de l'arbre, constituée par un maneton excentré, d'y pénétrer et possède un rebord destiné à être fixé à une paroi étanche traversée par l'arbre et dont l'autre extrémité longitudinale est fermée hermétiquement par une bague cylindrique à fond étanche ; en ce que ce manchon est agencé de façon à pou voir se déformer latéralement sans pratiquement pouvoir se déformer en torsion ; et en ce que la bague cylindrique du manchon reçoit intérieurement le maneton excentré de façon que celui-ci puisse y tourner librement et est reçue extérieurement dans une cage guidée par des moyens permet tant à cette cage de suivre le mouvement de révolution du maneton et de la bague autour de l'axe de l'arbre tout en limitant ses possibilités de rotation sur elle-même. De cette façon, comme dans le cas d'un entraîne ment magnétique, l'étanchéité est assurée par une paroi étanche, c'est-à-dire celle du manchon, mais contrairement au cas de l'entraînement magnétique, le couple d'entraîne ment qui est transmis mécaniquement aux moyens de guidage par les débattements de la cage n'est soumis à aucune limitation par le dispositif d'étanchéité. Cette étanchéité entraîne l'oscillation sans torsion du manchon entre son rebord fixé à la paroi étanche de la machine et sa bague terminale, une telle oscillation ne provoquant aucun frot tement générateur d'usure et de fuites, contrairement aux dispositifs d'étanchéité les plus courants (presse étoupe, bague d'étanchéité, garniture mécanique, etc...). De préférence, le manchon comprend, d'une part, un soufflet en métal (ou en tout autre matériau compatible avec le milieu ambiant) étanche soudé par l'une de ses extrémités à une bride rigide constituant le susdit rebord de fixation à la paroi étanche de la machine et par l'autre de ses extrémités à la bague rigide et, d'autre part, un ressort hélicoïdal à spires jointives également soudé par ses extrémités à la bride et à la bague et disposé contre la surface latérale du soufflet. Cette construction dote le soufflet métallique, assurant l'étanchéité, de la souplesse qui lui est nécessaire pour osciller. De plus, le ressort hélicoïdal interdit au soufflet d'effectuer des mouvements de torsion et l'empêche de se déformer sous l'effet des différences de pression entre l'intérieur et l'extérieur du manchon. I1 suffit à cet effet'de placer le ressort soit à l'intérieur du soufflet lorsque la pression extérieure est supérieure à la pression intérieure, soit à l'extérieur du soufflet dans le cas contraire. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de guidage de la cage sont constitués par un disque oscillant solidaire de la cage, tangent à la paroi intérieure d'un support cylindrique creux et muni d'une fente longitudinale dans laquelle est introduit un guide solidaire du support cylindrique. De tels moyens de guidage sont avantageux dans le cas où l'arbre considéré est agencé de façon à communiquer son mouvement à un deuxième arbre coaxial, auquel cas il suffit de munir ce deuxième arbre d'un maneton de même excentricité que le maneton du premier arbre et de donner a la bague une forme symétrique de façon qu'elle puisse recevoir les deux manetons bout à bout,-avec interposition du fond étanche de la bague. De tels moyens de guidage sont également avantageux dans le cas ou la machine est une pompe ou compresseur, les deux espaces compris entre le disque oscillant et la paroi intérieure du support et séparés l'un de l'au- tre par le guide et par le lieu de tangence du disque et du support constituant alors des chambres de volumes alternativement croissant et décroissant pour l'aspiration et le refoulement d'un fluide. L'invention va être maintenant décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés. La figure 1 représente, en coupe longitudinale schématique selon la ligne I-I de la figure 2, un dispositif d'étanchéité conforme à l'invention. La figure 2 est une coupe transversale selon la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 mais représentant le disque en deux positions de fonctionnement différentes. La figure 4 représente, en coupe longitudinale moins schématique, un dispositif d'étanchéité conforme à une variante de la figure 1. Le dispositif d'étanchéité illustré aux figures 1 à 3 est destiné à s'adapter à un arbre 1 et plus précisé- ment à l'extrémité 2 de cet arbre l par laquelle celui-ci communique son mouvement à un organe mécanique tel qu'un deuxième arbre 3, ces deux arbres 1 et 3 étant agencés de façon à tourner autour d'un axe commun X-X. Ce dispositif d'étanchéité comprend un manchon étanche approximativement cylindrique 4 dont une extrémité longitudinale (à droite de la figure 1) est ouverte de façon à permettre à l'extrémité 2, constituée par un maneton excentré d'axe Y-Y, d'y pénétrer et possède un rebord 5 destiné à etre fixé, par exemple à l'aide de vis 6 (voir la figure 4), à une paroi étanche 7 traversée par l'arbre 1. L'autre extrémité longitudinale (à gauche de la figure 1) du manchon 4 est fermée hermétiquement par une bague cylindrique 8 à fond étanche 9. Ainsi qu'il sera expliqué ci-après, le manchon 4 est agencé de façon à pouvoir se déformer latéralement sans pouvoir se déformer en torsion. La bague cylindrique 8 reçoit intérieurement le maneton excentré 2 de façon que celui-ci puisse y tourner librement, grâce par exemple à la présence d'un roulement 24, et est reçue extérieurement dans une cage 10 guidée par des moyens permettant à cette cage 10 de suivre le mouvement de révolution du maneton 2 et de la bague 8 autour de l'axe X-X de l'arbre 1 tout en limitant les possibilités de rotation de la cage 10 sur elle-meme. Aux figures 2 et 3, le mouvement de révolution du maneton 2 et de la cage 10 a été schématisé par un cercle C qui représente la trajectoire décrite par l'axe Y-Y du maneton 2 autour de l'axe X-X de l'arbre 1. Pour que le manchon 4 puisse se déformer latéralement sans pouvoir se déformer en torsion, il est constitué essentiellement par la combinaison d'un soufflet mEtaL- lique étanche 11 et d'un ressort hélicoïdal à spires jointives 12, comme représenté à la figure 4. Le soufflet métallique 11 est soudé par l'une de ses extrémités à une bride rigide 13 constituant le rebord de fixation 5 et par l'autre de ses extrémités à la bague rigide 8. Le ressort 12 est également soudé à la bride 13 et à la bague 8 et il est disposé contre la surface intérieure du soufflet 11 ou plus exactement contre les sommets int6- rieurs des ondes de ce soufflet 11. La bague 8 est faite d'une seule pièce avec son fond 9 et avec un élément tubulaire 14 de plus grand diamètre, réuni au bord libre de la bague 8 par une paroi transversale 15. Le soufflet 11 peut ainsi reposer contre la surface extérieure de l'élément tubulaire 14 et être soudé à celui-ci tandis que le ressort hélicoïdal 12 peut être soudé en bout de cet élément tubulaire 14. De même, le soufflet 11 peut reposer contre la surface extérieure de la partie tubulaire 25 de la bride 13 et le ressort hélicoïdal 12 être soudé en bout de cette partie tubulaire 25. Enfin, les moyens de guidage de la cage 10 sont constitués de préférence par un disque oscillant 16 solidaire de la cage 10, tangent à la paroi intérieure cylindrique 17 d'un support cylindrique creux 18 de même axe X-X que l'arbre 1, et muni d'une fente longitudinale 19 dans laquelle est introduit, de façon à pouvoir y glisser, un guide 20 solidaire du support cylindrique 18. Les moyens de guidage en question pourraient d'ailleurs être remplacés par des moyens équivalents. Pour maintenir l'arbre 1, celui-ci est porté par un ou plusieurs roulements 21 au droit de la paroi 7 ainsi que par au moins un autre roulement 22 situé à proximité du maneton 2 et porté par un support tubulaire 23 entourant la partie en porte-à-faux de l'arbre 1 et solidaire de la paroi 7. On obtient ainsi un dispositif d'étanchéité- dont le fonctionnement est le suivant. Lorsque l'arbre 1 est entraîné en rotation autour de l'axe X-X dans le sens des flèches F (figures 1 à 3), le maneton 2 est entraîné autour de cet axe en un mouvement de révolution schématisé par le cercle C (figures 2 et 3) et entraîne lui- même la bague 8 et la cage 10 dans un mouvement de révolution. Au cours de ces mouvements de révolution, le maneton 2 tourne sur lui-même d'un mouvement continu tandis que la bague 8 est empêchée de tourner sur elle-même par le ressort hélicoïdal 12 et que la cage 10 tourne sur elle-même d'un mouvement alternatif de faible amplitude angulaire en raison de l'action du guide 20. Le mouvement de révolution de la cage 10 est mis à profit comme il sera expliqué ci-après.Comme le manchon 4 est tenu d'un côté par son rebord 5 et de l'autre par la bague 8, il se déforme ou oscille latéralement sans se tordreen maintenant l'étanchéité entre la partie de la machine (appelée ci-après "partie droite") communiquant avec l'intérieur du manchon et contenant l'arbre 1 et la partie de la machine (appelée ci-après "partie gauche") communiquant avec l'extérieur du manchon et contenant les moyens de guidage 16, 20. La déformation cyclique du manchon 4 n'occasionne aucun frottement générateur d'usure et de fuites.Au cas où la partie gauche de la machine est à une pression relativement élevée (40 bars par exemple) et que la partie droite est à la- pression atmosphérique, la différence entre ces pressions tend à faire s' affaisser le soufflet 11 du manchon 4 mais le ressort 12, dont une première fonction est d'empêcher le manchon 4 de se tordre sous l'effet de la rotation du maneton 2, s'oppose à cet affaissement en remplissant ainsi une deuxième fonction. En définitive, le manchon 4 conserve toujours une forme approximativement cylindrique. Deux applications avantageuses de l'invention sont représentées respectivement aux figures 1 et 4. Selon la première de ces applications (figure 1), l'arbre 1 est destiné à communiquer son mouvement de rotation autour de l'axe X-X à l'arbre 3. Ce deuxième arbre 3 est alors muni d'un maneton 26 de même excentricité que le maneton 2 du premier arbre 1. De plus, la bague 8 a une forme symétrique par rapport à un plan transversal. En d'autres termes, la bague 8 à fond 9 est adossée à une deuxième bague 8a dans laquelle est engagé le maneton 26, de préférence avec interposition d'au moins un roulement 24a. Il est clair que le mouvement de rotation de l'arbre 1 est transmis à l'arbre 3 par l'intermédiaire d'un système à manivelle (manetons 2 et 26). L'étanchéité entre les espaces contenant respectivement les arbres 1 et 3 est assurée sans frottements par le manchon 4. Selon la deuxième de ces applications (figure 4, en liaison avec les figures 2 et 3), les deux espaces 27 et 28 compris entre le disque- oscillant 16 et la paroi intérieure 17 du support cylindrique creux 18 et séparés l'un de l'autre par le guide 20 et par le lieu de tangence variable 29 (figure 2), 29a ou 29b (figure 3) du disque 16 et du support 18 constituent des chambres de volumes alternativement croissant et décroissant pour 11 aspiration et le refoulement d'un fluide (liquide ou gazeux). Les pompes ou compresseurs de ce type sont bien connus et comprennent des soupapes d'aspiration et de refoulement (non montrées). La figure 2 illustre la position où les chambres 27 et 28 ont des volumes égaux.La figure 3 illustre, en trait plein, une des positions pour laquelle la chambre 27 est de plus grand volume que la chambre 28 et, en trait mixte, la position pour laquelle l'une des chambres a un volume maximum et l'autre chambre un volume nul. Il va de soi que les deux applications peuvent être combinées, l'arbre 1 assurant alors à la fois l'en- traînement de l'arbre 3 et de la pompe ou compresseur. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. En particulier, le soufflet 11, au lieu d'être en métal, peut être en tout autre materiau (matière plastique, élastomère) compatible avec le milieu ambiant et notamment, dans le cas d'une pompe, avec le fluide à refouler ou à comprimer. En outre, le disque oscillant 16, qui a été représenté comme touchant directement la paroi cylindrique 17 du support 18, peut être muni d'un chemin de roulement (non montre) à sa périphérie ainsi que de galets 30 aux bords de la fente longitudinale 19. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité pour arbre (1) de machines tournantes telles que pompes (centrifuge, -volumé- triques, rotatives), compresseurs, pompes à vide, compteurs volumétriques, agitateurs, etc..., cet arbre communiquant son mouvement par l'une de ses extrémités à un organe mécanique, caractérisé en ce qu'il comprend un manchon étanche (4) approximativement cylindrique dont une extrémité longitudinale est ouverte de façon à permettre à la susdite extrémité de l'arbre (1), constituée par un maneton excentré (2), d'y pénétrer et possède un rebord (5) destiné à être fixé à une paroi étanche (7) traversée par l'arbre (1) et dont l'autre extrémité longitudinale est fermée hermétiquement par une bague cylindrique (8) à fond étanche (9) ;; en ce que ce manchon (4) est agencé de façon à pouvoir se déformer latéralement sans pratiquement pouvoir se déformer en torsion ; et en ce que la bague cylindrique (8) du manchon (4) reçoit intérieurement le maneton excentré (2) de façon que celui-ci puisse y tourner librement et est reçue extérieurement dans une cage (10) guidée par des moyens permettant à cette cage (10) de suivre le mouvement de révolution du maneton (2) et de la bague (8) autour de l'axe (X-X) de l'arbre (1) tout en limitant ses possibilités de rotation sur elle-même. 2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon (4) comprend,d'une part, un soufflet en métal (ou en tout autre matériau compatible avec le milieu ambiant) étanche (11) soudé par l'une de ses extrémités à une bride rigide (13) constituant le susdit rebord (5) de fixation à la paroi étanche (7) de la machine et par l'autre de ses extrémités à la bague rigide (8) et, d'autre part1 un ressort hélicoïdal (12) à spires jointives également soudé par ses extrémités à la bride (13) et à la bague (8) et disposé contre la surface latérale du soufflet (11). 3. Dispositif d'étanchéité selon l'une des reven dications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de guidage de la cage (10) sont constitués par un disque oscillant (16) solidaire de la cage (10), tangent à la paroi intérieure (17) d'un support cylindrique creux (18) et muni d'une fente longitudinale (19) dans laquelle est introduit un guide (20) solidaire du support cylindrique (18). 4. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'arbre (1) est porté par au moins un roulement (21) au droit de la paroi étanche (7) ainsi que par au moins un autre roulement (22) situé à proximité du maneton (2) et porté par un support tubulaire (23) entourant la partie en porte-à-faux de l'arbre (1) et solidaire de la paroi (7). 5. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'arbre considéré (1) est agencé de façon à communiquer son mouvement à un deuxième arbre coaxial (3), muni d'un maneton (26) de même excentricité que le maneton (2) du premier arbre (1), la bague (8) ayant une forme symétrique de façon qu'elle puisse recevoir les deux manetons (2,26) bout à bout, avec interposition du fond étanche (9) de la bague (8). 6. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 3 seule ou en combinaison avec l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la machine est une pompe ou compresseur, les deux espaces (27, 28) compris entre le disque oscillant (16) et la paroi intérieure (17) du support cylindrique creux (18) et séparés l'un de l'autre par le guide (20) et par le lieu de tangence (29) du disque (16) et de ce support (18) constituant alors des chambres de volumes alternativement croissant et décroissant pour l'aspiration et le refoulement d'un fluide. 7. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que le disque oscillant (16) est muni d'un chemin de roulement à sa périphérie.