Brevet FR2553854A1 — publié le 19850426

i Dispositif de joint étanche à labyrinthe, notamment pour pompes rotatives ou compresseurs " Dans le cas de pompes rotatives et de compresseurs, l'étanchéité de l'arbre pose un problème pour lequel différentes solutions sont connues La solution choisie dépend du fluide à compresser ou à pomper et du degré d'étanchéité désiré Des joints d'étanchéité connus, sans contact, du type dit à labyrinthe ont une résistance à la friction extrêmement faible, mais ils présentent des pertes ou fuites de traversée relativement importantes Une étanchéité bien meilleure est obtenue avec un joint à bague de 10 glissement qui cependant nécessite une lubrification, sinon les pièces sont soumises à une usure trop importante et même à un grippage Dans certains cas, peuvent également être utilisées des étanchéités à bague de graphite qui n'exigent pas de lubrification, mais qui présentent cepen15 dant un certain degré d'usure par friction. Dans le cas de machines destinées à l'emploi dans le domaine des techniques cryogéniques, par exemple pour le pompage de gaz liquéfiés à de basses températures, l'arbre doit être rendu étanche aussi bien que possible, de telle sorte que des difficultés se présentent en raison des basses températures, parce que, d'une part, un mode d'étanchéité sans contact, à labyrinthe, n'est pas suffisamment étanche, que, d'autre part, une étanchéité à bague de glissement exige une lubrification et qu'une étanchéité à bague de graphite présente une trop grande usure de friction Oh se heurte, en outre, au fait que les pièces de joint se contractent en raison des basses températures. La présente invention pose donc le problème de réaliser un joint sans contact, à labyrinthe à fentes étroites, qui convienne spécialement à l'emploi dans des machines rotatives cryogéniques, mais qui puisse également être utilisé dans d'autres machines rotatives. L'invention résout ce problème avec un dispositif d'étanchéité à labyrinthe caractérisé en ce que chacune 10 des bagues d'étanchéité, entraînée par l'arbre, est calée sur l'arbre contre une rotation réciproque, mais coulissable axialement, est étanchée par rapport à l'arbre au moyen d'une manchette à capuchon et est pourvue de perçages de traversée qui conduisent à partir de la surface de joint, 15 caté haute pression, vers des chambres usinées dans la surface de joint c 8 té basse pression, qui ne sont pas en communication entre-elles mais sont réparties régulièrement sur le poutour de la bague. La possibilité de eoulissement axial des bagues 20 entraînées en combinaison avec les perçages et les chambres usinées sur le côté basse pression de chaque bague, a pour effet que les bagues avec fente "flottent" entre les bagues restant immobiles En d'autres termes, on peutdire que le fluide à pomper (gaz liquéfié) joue le r 8 le d'un moyen de 25 lubrification hydrostatique grâce auquel aucun contact direct n'a plus lieu entre les bagues fixes et les bagues entraînées Le fluide qui parvient dans les chambres est projeté vers l'extérieur avec une vitesse de rotation suffisante et assure l'effet de lubrification. Un exemple de réalisation de l'objet de l'invention est représenté dans les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 montre la moitié supérieure d'une vue en coupe axiale d'un joint à labyrinthe, la figure 2 est une vue d'une bague d'étanchéité 35 entraînée en élévation frontale du côté dans lequel sont usinées les chambres, la figure 3 est une vue en coupe le long de la ligne III-III de la figure 2, et est une demi-vue en élévation latérale de la bague de la figure 2. Le joint d'étanchéité à labyrinthe représenté dans la figure 1 est constitué comme un élément de construction unitaire complet comprenant un manchon 1 qui est glissé à joint étanche sur l'arbre de la machine, (non représenté) et un carter enveloppe 2 qui est fixé par vissage sur le 10 stator de la machine et à joint étanche par rapport à ce dernier. La partie restant immobile du dispositif d'étanchéité à labyrinthe consiste en un empilage de bagues ayant toutes le même diamètre extérieur, et présentant alterna15 tivement un diamètre intérieur plus petit et plus grand, qui sont montées dans le carter A l'état assemblé, le carter est fermé par un couvercle 3 Cette constitution de la partie immobile permet un maintien très précis des tolérances, car les bagues sont meulées et aplanies chacune 20 par elle-même I 1 en est de même pour les deux bagues d'extrémité 21 et 23, pour les quatre bagues intermédiaires 22 et pour les cinq bagues d'espacement 24 Le profil de section transversale des bagues intermédiaires 22 est adapté à la forme 25 desbagues d'étanchéité entraînées par l'arbre Les bagues d'extrémité à section transversale rectangulaire 21, 23 sont pourvues sur leur pourtour d'un évidement latéral pour la réception d'une bague d'étanchéité 25 qui sert à assurer l'étanchéité par rapport au carter 2, ainsi que par rapport 30 au couvercle 3 Le couvercle 3 est rendu étanche par rapport au carter 2 par la bague d'étanchéité 31 A l'état assemblé, toutes les bagues 21 à 24 sont appliquées intimement l'une sur l'autre avec contact métallique et engagées dans l'alésage intérieur du carter 2 et du couvercle 3 avec pression 35 axiale. Le couvercle 3 et le carter 2 sont pressés l'un sur l'autre au moyen d'une serie de boulons 32 qui, pour plus de clarté de la figure 1, ne sont représentés que par une ligne en traits-points. Dans le couvercle 3, est fraisée une gorge annulaire 33, dont le but sera exposé dans la suite Cette gorge 33 est en communication, par un perçage 34, avec un perçage fileté borgne 35 du couvercle 3. Les bagues d'étanchéité 4 entraînées sont souli10 gnées, dans la figure 1, par des hachures, et sont représentées par elles-mêmes dans les figures 2 et 3 Afin que la figure 1 ne soit pas surchargée par des chiffres de référence, les chiffres de référence utilisés dans la description détaillée ci-après pour les bagues entraîinées, ne sont 15 indiqués que dans les figures 2 et 3 Les bagues entraînées 4 sont glissées sur le manchon 1 et chacune est bloquée contre une rotation relative au moyen de deux broches ll diamétralement opposées qui sont ancrées dans le manchon 1. Le perçage central 'des bagues 4 est choisi de telle sorte qu'elles peuvent facilement coulisser axialement sur le machon 1 A l'état monté, les broches de blocage 11 sont engagées dans les gorges axiales 41 diamétralement opposées. Les bagues 4 présentent un profil transversal rectangulaire, avec un bord 40 surépaissi sur un côté dans la zone du perçage central, bord dans lequel est usinée une gorge annulaire intérieure 42 Lors du montage, une manchette (voir figure 1) en matière synthétique est engagée dans cette gorge 42 et sert à assurer l'étanchéité entre la bague 30 et le manchon 1 Les surfaces sont meulées et lisses de telle sorte que, à l'état monté, elles se placent avec un faible jeu, défini, dans la fente formée entre les bagues fixes 21, 23 Dans la surface d'étanchéité plane de la bague d'étanchéité 4, sont usinées des chambres peu profondes 43, les35 quelles sont plus profondes sur le coté 43 ' orienté vers l'intérieur, et aboutissent, vers l'extérieur, dans la surface d'étanchéité Ce bord de sortie est en conséquence indiqué, dans la figure 2, par une ligne mince 43 " Chaque chambre 43 est reliée, par un perçage de traversée 44, avec la surface d'étanchéité qui lui fait face de la bague d'étanchéité Les perçages sont avantageusement prévus sur le côté des chambres s'étendant en direction de la rotation. Le joint à labyrinthe est monté sur la machine (pompe ou compresseur) de telle sorte qu'il soit chargé, sur le côté de droite dans la figure 1, avec une pression p plus élevée que sur le côté de gauche Dans la figure 1, cela est indiqué par la flèche désignée par "p". C'est seulement lors d'une charge de pression dans cette direction que les manchettes à capuchon appli15 quent à joint étanche les bagues 4 entraînées avec l'arbre contre le manchon 1, et c'est seulement ainsi qu'est réalisé l'effet de lubrification quasi-hydrostatique désiré par le fluide liquide ou gazeux à étancher avec surpression p. Le mode d'efficacité peut s'expliquer de la manière suivante: la supression p du fluide parvient dans la fente annulaire axiale de droite la plus extérieure et elle a par conséquence tendance à appliquer la bague d'étanchéité 4, qui est déjà coulissable axialement, contre la bague fixe voisine 22 située à sa gauche A travers les 25 perçages 44, le fluide placé sous une surpression parvient cependant dans les chambres 43 dans lesquelles s'établit alors, par une sorte d'effet centrifuge, une pression qui réalise un équilibre, de telle sorte que la bague d'étanchéité entraînée "flotte" dans la fente annulaire. Ainsi qu'il est habituel dans les étanchéités à labyrinthe, la surpression décroît d'étage en étage, auquel cas se produit toujours une perte par fuite plus ou moins importante Cette perte peut être amoindrie en diminuant la surpression,en produisant une eontre-pression sur 35 le côté basse-pression Dans l'exemple de réalisation représenté dans la figure 1, cela est obtenu par l'amenée d'une contre-pression à travers le perçage 34 dans la fente annulaire 33 du couvercle 3 Il est évident que les bagues entraînées pourraient, au lieu d'être montées sur un man5 chon, être directement montées sur l'arbre de la machine. R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de joint étanche à labyrinthe, composé de bagues, pour machines rotatives, caractérisé en ce que chacune des bagues d'étanchéité ( 4) entraînée par l'arbre ( 1) est calée sur l'arbre contre une rotation réciproque, mais coulissable axialement, est étanchée par rapport à l'arbre ( 1) au moyen d'une manchette à capuchon ( 5), et est pourvue de perçage de traversée ( 44) qui conduisent à partir de la surface de joint côté haute pression 10 vers des chambres ( 43) usinées dans la surface de joint côté basse pression, qui ne sont pas en communication entre elles, mais sont réparties régulièrement sur le poutour de la bague ( 4). 2 ) Dispositif de joint à labyrinthe suivant la 15 revendication 1, caractérisé en ce que les chambres ( 43) sont constituées de telle sorte qu'elles sont plus profondes sur le côté ( 43 ') orienté radialement vers l'intérieur et débouchent aussi bien latéralement que vers l'extérieur, dans la surface de joint étanche du coté basse-pression. 3 ) Dispositif de joint suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les perçages de traversée ( 44) sont disposés sur le côté le plus profond ( 43 ') des chambres ( 43). 4 ) Dispositif de jointe suivant la revendication 25 3, caractérisé en ce que les perçages de traversée ( 44) débouchent sur le côté des chambres ( 43) qui est en avant en direction de la rotation. ) Dispositif de joint suivant la revendication 1, sous la forme d'un ensemble unitaire complet à monter, caractérisé en ce que les bagues d'étanchéité ( 4) entraînées sont montées sur un manchon ( 1), monté luimême sur l'arbre de la machine rotative, tandis que les bagues d'étanchéité stationnaires ( 21, 23) sont montées dans un carter ( 2) avec couvercle ( 3). 6 ) Dispositif de joint suivant la revendication , caractérisé en ce que, sur le c 6 té basse pression ( 3) du carter ( 2, 3), est prévue une gorge annulaire ( 33) ouverte vers le manchon ( 1), laquelle est en communication avec un perçage ( 34).