Brevet FR2540213A1 — publié le 19840803

DISPOSITIF D'ETANCHEMENT D'UN ARBRE ROTATIF, ENSEMBLE A ARBRE ROTATIF EQUIPE DE CE DISPOSITIF ET TURBOCOMPRESSEUR DONT LE ROTOR EST MUNI DUDIT DISPOSITIF La présente invention se rapporte à un dispositif d'étanchement d'un arbre rotatif s'étendant dans un alésage ménagé dans un carter, ce dispositif étant destiné à réduire à un minimum les fuites de fluide à travers ledit alésage, entre ledit arbre et ledit carter L'invention concerne en particulier un dispositif d'étanchement du type précité, dans lequel une gorge annulaire est élaborée autour d'une partie de l'arbre située à l'intérieur de l'alésage du carter, un premier organe d'étanchéité du type bague fendue étant placé à l'intérieur de cette gorge Des dispositifs d'étan- chement du type précité sont utilisables en général pour assurer l'étanchéité d'un arbre tournant à l'intérieur de l'alésage d'un carter, mais ils s'appliquent en particulier- à l'étanchement de l'arbre du rotor d'un turbocompresseur et l'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple en se référant à un tel appareil. Une forme de réalisation connue d'un dispositif d'étanchement du type précité, comportant par conséquent une gorge annulaire pratiquée dans la région de l'arbre logée dans l'alésage, ainsi qu'un organe annulaire d'étanchéité incorporé dans cette gorge, est agencée de façon que la bague soit en appui sur la paroi du carter délimitant l'alésage, et soit maintenue stationnaire par rapport audit carter lorsque l'arbre effectue une rotation L'organe d'étanchéité peut être métallique et comporter un intervalle ou une incision radial en un point de sa circonférence, si bien que la bague peut accuser circonférentiellement une expansion et une contraction limitées Le diamètre "normal" ou diamètre libre d'une telle bague doit être légèrement plus grand que le diamètre de l'alésage de sorte que cette bague, lorsqu'elle est placée dans la gorge et se trouve à l'intérieur dudit alésage, est légèrement contractée dans le sens circonféren- tiel de manière qu'elle puisse porter élastiquement contre la paroi délimitant ledit alésage Un tel organe d'étanchéité utilisé dans le dispositif d'étanchement du type susmentionné sera qualifié ci-après de "bague fendue d'étanchéité". Un dispositif d'étanchement comportant une bague fendue d'étanchéité est souvent utilisé pour former un joint hermétique entre un arbre rotatif et un carter destiné à cet arbre, en particulier lorsque ledit arbre doit tourner à une vitesse relativement grande et présenter par conséquent une vitesse périphérique relativement élevée, ce qui exclut l'utilisation d'un dispositif d'étanchement élastique non métallique, par exemple un organe d'étanchement en caoutchouc naturel ou synthétique Un exemple d'une application de ce type est le cas de l'étanchement de l'arbre du rotor d'un turbocompresseur, encore que, du fait des interstices néces- saires pour permettre une rotation de l'arbre et à cause des jeux provoqués par l'usure, il se produise souvent une fuite du fluide (tel que de l'huile lubrifiante) à travers un dispositif d'étanchement comportant une bague fendue d'étan- chéité, notamment lorsque l'arbre est fixe. La présente invention-a pour objet de proposer un dispositif d'étanchement perfectionné comportant une bague fendue d'étanchéité, en vue d'atténuer l'inconvénient de fuites se produisant à travers ce dispositif. De ce fait, l'invention propose un dispositif d'étanchement du type décrit ci-avant, qui est caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une seconde bague fendue d'étanchéité logée au moins partiellement à l'intérieur de la gorge de manière à être sus-jacente à la première bague fendue d'étanchéité avec laquelle elle vient en contact; ladite ou chacune desdites secondes bagues fendues étant également en appui contre la paroi de l'alésage délimité dans le carter, afin d'assurer l'étanchéité contre cette paroi. Dans le dispositif selon l'invention, une ou plusieurs bagues fendues d'étanchéité peuvent présenter une simple incision radiale mais, de préférence, au moins l'une de ces bagues d'étanchéité est du type à incision étagée, dans lequel une partie de l'extrémité de la bague d'un côté de l'incision longe axialement une partie de l'extrémité de ladite bague de l'autre côté de ladite incision Avantageuse- ment, pour accroître les caractéristiques d'étanchement de ce dispositif, il peut être prévu deux, voire même plus de deux secondes bagues fendues d'étanchéité juxtaposées axiale- ment et venant chacune en contact avec la première bague *fendue d'étanchéité. De préférence, la première bague fendue possède une largeur axiale plus grande que la largeur de la seconde bague, ou bien supérieure à la largeur axiale totale de toutes les secondes bagues fendues lorsque ces dernières sont juxtaposées dans le cas o l'on utilise plusieurs secondes bagues de ce type Cependant, la première bague fendue d'étanchéité doit être ajustée avec jeu dans la gorge de façon qu'elle ne tourne pas conjointement à l'arbre, mais soit au contraire maintenue fixe grâce au fait qu'elle est appliquée contre la seconde bague fendue Les interstices de part et d'autre de la première bague fendue, par rapport aux parois de la gorge, doivent être maintenus minimaux de manière à provoquer une fuite minimale et à permettre à la bague de s'adapter à des perturbations axiales de second ordre affectant l'arbre. Le fait de prévoir deux bagues fendues d'étanchéité permet de disposer d'un jeu axial suffisant, dans la gorge de l'arbre, pour autoriser un fonctionnement "flottant" de la seconde bague et pour compenser l'usure après une période initiale de "rodage", tout en permettant d'obtenir une excellente étanchéité étant donné que la première bague fendue sert à constituer un joint hermétique entre la se- conde bague fendue et l'arbre Du fait que la première bague fendue d'étanchéité doit seulement porter élastiquement contre la circonférence interne de la seconde bague et cons- tituer un joint hermétique vis-à-vis des parois de la gorge, ladite première bague fendue peut présenter une largeur - radiale plus petite que celle de la ou de chacune des secondes bagues fendues. La présente invention s'étend à un ensemble combiné comprenant un carter percé d'un alésage, un arbre logé à rotation dans cet alésage, ainsi qu'un dispositif d'étan- chement conformément à l'inventionincorporé dans ledit alésage La combinaison d'un arbre et d'un carter peut être l'arbre du rotor d'un turbocompresseur et le carter prévu pour cet arbre, respectivement. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale fragmen- taire de l'arbre du rotor et du carter d'un turbocompresseur, illustrant le dispositif d'étanchement conformément à la présente invention; la figure 2 est une coupe analogue à celle de la figure 1, mais représentant une première variante de réalisa- tion du dispositif d'étanchement selon l'invention; la figure 3 est une coupe montrant une seconde variante de réalisation dudit dispositif; et la figure 4 est une vue en perspective d'un organe d'étanchéité du type à incision étagée, approprié pour être utilisé dans un dispositif d'étanchement conformément à l'invention. En observant tout d'abord la figure 1, on voit un arbre 10 du rotor d'un turbocompresseur monté à rotation et s'étendant avec jeu dans un alésage 11 élaboré dans un carter 12 dudit turbocompresseur, des interstices 13 et 13 a étant réservés à l'intérieur dudit alésage 11, entre l'arbre et le carter, sur les côtés respectifs d'un dispositif d'étan- chement 14 selon l'invention L'interstice 13 a est de préfé- rence plus petit que l'interstice 13 et il constitue le côté du dispositif exposé au lubrifiant utilisé dans le montage du rotor; de ce fait, cet interstice 13 a correspond avanta- geusement au jeu minimal effectif'de la course de l'arbre à l'intérieur de son carter, de manière à former un trajet de fuite minimale pour l'huile de lubrification. Le dispositif d'étanchement selon l'invention comporte une gorge annulaire 15 élaborée autour d'une partie de l'arbre 10 qui, lorsque ce dernier est assemblé avec le carter 12, est intégralement logée à l'intérieur dudit carter, au voisinage d'un épaulement 16 façonné dans l'alésage de ce carter Le dispositif d'étanchement comporte en outre une première bague fendue d'étanchéité 17 incorporée intégralement dans la gorge 15, ainsi qu'une seconde bague fendue d'étan- chéité 18 qui est partiellement engagée dans ladite gorge 15 de l'arbre, mais est également en contact avec l'épaulement 16 de l'alésage 11 Les deux bagues fendues sont métalliques et possèdent des propriétés élastiques, de sorte que la seconde bague fendue 18 porte contre la paroi du carter délimitant l'alésage 11, et que la première bague fendue 17 repose sur la circonférence interne de ladite seconde bague. Comme mentionné ci-avant, la première bague fendue d'étanchéité 17 est ajustée intimement à l'intérieur de la gorge 15 ménagée dans l'arbre afin de former un trajet de fuite minimale, mais la seconde bague fendue 18 présente une largeur axiale plus petite que celle de ladite première bague 17, le dispositif étant agencé de manière que ni la première, ni la seconde de ces bagues tourne conjointement à l'arbre. Cependant, la première bague fendue 17 s'adapte à de petits perturbations ou écarts axiaux de l'arbre 10 par rapport au carter 12 tout en recouvrant en permanence la fente (non représentée) pratiquée dans la seconde bague fendue 18, cette seconde bague servant à former un joint hermétique vis-à-vis dudit carter. Lorsque, en service, le dispositif d'étanchement est soumis à la pression des gaz provenant du turbocompresseur par l'intermédiaire de l'interstice 13, et également à une pression de l'huile s'exerçant par l'intermédiaire de l'in- terstice 13 a, il s'est avéré que le dispositif d'étanchement décrit constitue une forme perfectionnée de joint hermétique et n'autorise que de faibles fuites de fluide le traversant. La figure 2 illustre une variante de réalisation du dispositif d'étanchement conformément à l'invention, les éléments analogues à ceux représentés sur la figure 1 étant repérés par les mêmes références numériques; ces éléments ne seront pas décrits de nouveau Dans le dispositif d'étan- chement selon la figure 2, la seule et unique seconde bague fendue d'étanchéité 18 (figure 1) est remplacée par deux bagues fendues d'étanchéité 20 et 21 disposées côte à côte, de telle manière que la largeur totale de ces deux secondes bagues combinées 20 et 21 soit comparable à la largeur axiale de la seule et unique bague 18 du dispositif de la figure 1. Naturellement, il est également possible de prévoir d'autres secondes bagues fendues d'étanchéité juxtaposées, à condition que la largeur axiale totale de ces bagues combinées reste plus petite que la largeur axiale de la première bague fendue 17 Dans un agencement de ce genre, il est peu probable que l'incision de la seconde bague 20 s'aligne avec les incisions de la ou de chacune des autres secondes bagues, ce qui réduit davantage encore la possibilité d'une fuite du fluide à travers le dispositif. La figure 3 montre une autre variante de réalisa- tion du dispositif d'étanchement conformément à l'invention, les éléments analogues à ceux illustrés sur la figure 2 étant affectés des mêmes numéros de référence Dans le r 1 spn 5 itif deette f 3 deux -secondes bagues fendues d'étanchéité 20 et 21 (figure 2) sont remplacées par des bagues fendues d'étanchéité 25 et 26 réalisées chacune du type à fente étagée, de façon à réduire davantage encore la possibilité d'une fuite à travers le dispositif d'étanche- ment La figure 4 illustre la réalisation à fentes étagées des bagues d'étanchéité utilisées dans le dispositif de la figure 3, et il ressort de cette figure 4 que la partie 27 de l'une,28, des extrémités d'une bague 29 d'un côté d'une fente 30 possède une largeur axiale réduite, la partie 31 d'une extrémité 32 de l'autre côté de ladite fente 30 présen- tant également une largeur axiale réduite, mais de manière complémentaire, de sorte que les deux parties réduites 27 et 31 peuvent se chevaucher côte à côte On fera observer qu'une fente 30 ainsi configurée sert à augmenter les caractéristi- ques d'étanchéité aux fluides de la bague. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'étanchement d'un arbre s'étendant, en pouvant tourner, dans un alésage d'un carter,ce dispositif d'étanchement comportant une gorge annulaire élaborée autour d'une partie dudit arbre logée dans ledit alésage du carter, ainsi qu'une première bague fendue d'étanchéité située dans ladite gorge, dispositif caractérisé par le fait qu'il pré- sente au moins une seconde bague fendue d'étanchéité ( 18; ,21) engagée au moins partiellement dans ladite gorge ( 15) de manière à être sus- jacente à ladite première bague fendue d'étanchéité ( 17) avec laquelle elle vient en contactfla ou chacune des secondes bagues fendues d'étanchéité ( 18; 20, 21) étant également en appui contre la paroi dudit alésage ( 11) délimité par le carter, afin de former un joint hermétique contre cette paroi. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins l'une des bagues fendues d'étanchéité est du type à fente étagée, dans lequel une partie ( 27) de l'extrémité ( 28) de la bague d'un côté de la fente ( 30) longe axialement une partie ( 31) de l'extrémité ( 32) de ladite bague de l'autre côté de ladite fente. 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que deux secondes bagues fendues d'étanchéité ( 20, 21; 25, 26) sont prévues en juxtaposition axiale, chacune de ces secondes bagues ( 20, 21; 25, 26) étant en contact-avec la première bague fendue d'étanchéité ( 17). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé par le fait que la première bague fendue d'étanchéité ( 17) possède une largeur axiale supérieure à la largeur de la seconde bague fendue d'étanchéité ( 18), ou bien une largeur axiale plus grande que la largeur axiale globale de toutes les secondes bagues fendues d'étanchéité ( 20, 21; 25, 26) disposées côte à côte lorsqu'il est prévu plus d'une seconde bague fendue d'étanchéité. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé par le fait que la première bague fendue d'étanchéité ( 17) est ajustée avec jeu dans la gorge ( 15) de l'arbre ( 10) de telle sorte que, en service, cette première bague d'étanchéité ( 17) ne tourne pas conjointement audit arbre. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé par le fait que la première bague fendue d'étanchéité ( 17) possède une largeur radiale plus petite que celle de la ou des secondes bagues fendues ( 18 21, 22). 7 Ensemble combiné comprenant un carter percé d'un alésage, un arbre s'étendant dans ledit alésage et monté à rotation dans ce dernier, ainsi qu'un dispositif d'étanche- ment servant à assurer l'étanchéité dudit arbre dans ledit carter, ensemble caractérisé par le fait que ledit dispositif d'étanchement est réalisé conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8 Turbocompresseur présentant un rotor monté à l'intérieur d'un carter, ainsi qu'un moyen d'étanchement pour former un joint hermétique entre ledit rotor et ledit carter, turbocompresseur caractérisé par le fait qu'il est équipé d'un dispositif d'étanchement réalisé conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 6 et faisant office de moyen d'étanchement.