Brevet FR2556053A1 — publié le 19850607

L'invention concerne un dispositif d'étanchéité à anneau glissant, comprenant un arbre, une botte d'étanchéité qui entou- re l'arbre en renfermant une chambre d'étanchéité, une garniture étanche à anneau glissant qui ferme la chambre d'étanchéité du côté haute pression et une pompe, prévue dans la chambre d'étan- chéité, qui divise cette dernière en une partie sous basse pression qui est reliée à un conduit d'alimentation en liquide et en une partie sous haute pression qui est située du côté de la garniture étanche à anneau glissant et qui est reliée à un conduit d'évacuation du liquide. Dans une garniture d'étanchéité connue de ce genre (demande de brevet allemand n 19 13 397), la pompe est réalisée sous la forme d'une pompe à vis se composant d'une paire d'hélices dont l'une entoure l'autre concentriquement et qui sont en face l'une de l'autre en direction radiale, hélices qui, selon le sens de rotation, entrainent dans l'une ou dans l'autre des directions axiales le fluide qui se trouve entre elles, sous l'influence du frottement visqueux. D'une part, la pompe est destinée à assurer la circulation du fluide qui sert d'agent réfrigérant et de lubrifiant; d'autre part, la pression qu'elle produit est destinée, suivant le sens de rotation, à charger ou à décharger l'anneau glissant. Les pressions relativement faibles qui peuvent être atteintes avec une telle pompe sont suffisantes à cet effet. On connatt par ailleurs des garnitures étanches à anneau - glissant qui sont réalisées sous forme de garnitures étanches à fluide de blocage. Par garniture étanche à fluide de blocage, on entend un dispositif dans lequel est contiguë, à la garniture étanche qui renferme la chambre à rendre étanche, une chambre qui est remplie d'un fluide de blocage et dont la pression est plus élevée que celle de la chambre à rendre étanche. Il est ainsi assuré qu'en cas de fuite, il se produira tout au plus un écoulement de fluide de.blocage dans la chambre à rendre étanche, mais il ne pourra pas s'échapper de fluide de la chambre à rendre étanche. On utilise des garnitures étanches à fluide de blocage principalement pour éviter les fuites de fluides toxiques, dan- gereux ou très précieux. Des modèles connus de dispositifs d'étanchéité à anneau glissant à fluide de blocage comprennent une paire de garnitures étanches à anneau glissant, entre les- quelles est incluse la chambre d'étanchéité qui contient le fluide de blocage. Celle-ci est reliée, par un conduit d'alimen- tation en liquide, à une source extérieure de fluide de blocage qui produit également la pression de blocage. A des fins de refroidissement, le fluide de blocage peut être guidé en circuit fermé, au moyen d'un conduit d'évacuation de liquide qui passe par un réfrigérant extérieur et rejoint le c té aspiration de la source extérieure de fluide de blocage. Ies frais nécessaires pour la mise en place et le raccordement de la source extérieure de fluide de blocage sont relativement élevés, non seulement parce qu'il doit être prévu une source de fluide de blocage sous forme de groupe séparé, mais aussi parce qu'une haute sécurité doit être garantie en ce qui concerne le fonctionnement de la source de fluide de blocage, afin qu'en aucun cas le fluide à étancher ne puisse s'échapper en conséquence d'un défaut de la pression de blocage. En outre, le dispositif connu a pour inconvénient qu'il est co teux, en raison de l'utilisa- tion de deux garnitures étanches à anneau glissant. C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir une garniture étanche à fluide de blocage, utilisant un dispositif d'étanchéité à anneau glissant qui garantisse une grande sécu- rité de fonctionnement à peu de frais. Ia solution de l'invention consiste en ce que le type de dispositif d'étanchéité à anneau glissant tel que défini ci- dessmest utilisé, en ce que, pour la formation d'une garniture étanche à fluide de blocage, la pompe qui y est prévue est réalisée sous forme de pompe volumétrique et en ce que le con- duit d'évacuation du liquide contient un élément de résistance hydraulique qui est dimensionné pour une pression plus élevée, à la vitesse de rotation de régime, que la pression à étancher. Par rapport aux garnitures étanches à fluide de blocage antérieurement connues, qui sont dépendantes d'une source exté- rieure de fluide sous pression, le dispositif suivant l'inven- tion offre l'avantage-d'une plus grande sécurité de fonctionne- ment, puisque le fonctionnement de la pompe contenue dans le dispositif d'étanchéité est lié indissolublement à la rotation de l'arbre à rendre étanche, alors qu'en cas de source extérieu - re, il vient s'ajouter des insécurités supplémentaires. En outre, la solution de l'invention est moins conteuse, et cela non seulement à cause de l'absence d'une source exté- rieure séparée de fluide de blocage, mais aussi parce que l'extrémité externe de la chambre d'étanchéité reçoit, non pas la pleine pression de blocage, mais une pression beaucoup plus faible et qu'en conséquence, une garniture étanche plus simple, par exemple un joint à lèvres, un joint en U ou similaires, est suffisante à cet endroit. L'élément de résistance hydraulique peut être un simple étranglement dont la section de passage est dimensionnée de telle manière qu'avec le débit de refoulement de la pompe, déterminé par la vitesse de rotation et par les données carac- téristiques de la pompe, il se crée, en amont de l'étranglement, une pression qui est plus élevée que la pression à étancher de l'autre c8té de la garniture étanche à anneau glissant. Un tel étranglement peut être également réalisé de manière-réglable, par exemple sous forme de soupape à pointeaus la réalisation de l'élément de résistance hydraulique sous forme d'étrangle- ment convient parfaitement pour les applications dans lesquel- les la hauteur de la pression à étancher est fonction quadrati- que de la vitesse de rotation, par exemple lorsqu'il s'agit de rendre étanche l'arbre d'une pompe centrifuge; en effet, la courbe caractéristique de la pression de blocage sur la vitesse de rotation peut être facilement réglée, par un dimensionnement approprié de la pompe et de l'étranglement, de telle manière qu'elle se situe suffisamment au- dessus de la pression à étancher dans toutes les gammes de vitesse de rotation. Il peut être également très opportun que l'étranglement soit automatiquement réglable en fonction de la pression plus élevée dans la chambre d'étanchéité, l'étranglement étant de préférence réalisé sous forme de limiteur de pression ajustable au-dessus de la pression à étancher. A cet égard, on peut aussi mentionner un étranglement qui est réglable au moyen d'un dispositif régulateur dans lequel la pression à étancher et/ou - la pression plus élevée dans la chambre d'étanchéité ou (en particulier en cas de systèmes' fermés) la pression dans le conduit d'alimentation en liquide est utilisée comme grandeur de référence. Outre la simplicité et la consommation d'énergie qui est souvent plus faible en comparaison d'un étranglement non réglable, la réalisation de l'étranglement sous forme de limi- teur de pression offre l'avantage que la pleine pression du fluide de blocage est disponible dès le début du fonctionnement, c'est-à-dire au moment o l'arbre commence à tourner et o. le volume déplacé théorique de la pompe dépasse son débit de fuite. la limite de vitesse de rotation à laquelle cette condition est satisfaite et la pression de blocage est complètement établie, peut être déterminée, selon les conditions existantes, par le choix d'une taille de pompe appropriée. Le dispositif suivant l'invention offre ce grand avantage que la pompe se comporte comme une sorte de garniture étanche supplémentaire, en ce sens qu'à partir de la garniture étanche à anneau glissant située du c8té de la chambre à rendre étanche, la pression dans la région de la pompe tombe de la pression de blocage à une pression beaucoup plus basse qui peut être égale à la pression extérieure du côté basse pression ou s'en appro- cher, ce qui fait qu'en comparaison de la garniture étanche à anneau glissant du-côté haute pression, un type simple de garniture étanche est suffisant pour la fermeture du dispositif d'étanchéité du côté basse pression, par exemple un joint à lèvres, un joint en U ou similaires. D'après l'invention, on peut opportunément parvenir à ce que la pression du côté basse pression dans le dispositif d'étanchéité se rapproche de la pression extérieure du c8té basse pression, en reliant le con- duit d'alimentation en liquide à un réservoir de liquide qui - est en communication avec l'atmosphère et qui est placé plus haut que la chambre d'étanchéité, réservoir dont la pression statique détermine alors la basse pression qui règne dans la chambre d'étanchéité. Par une telle disposition, on peut en outre parvenir à ce que soit maintenue dans la chambre d'étanchéité, m me pendant que l'arbre est à l'arrêt, une pression du fluide de blocage suffisante pour assurer l'étanchéité en présence de la pression de fluide qui existe encore dans ces conditions. Par contre, lorsqu'il est nécessaire de maintenir, à l'arrêt de l'arbre, une pression plus élevée que la pression du fluide de blocage, cela peut être assuré par le fait qu'il est raccordé au conduit d'évacuation de liquide, avant l'élément de résistance hydraulique dans le sens du courant, un accumulateur hydraulique dont la pression est disponible, lorsque l'arbre est à l'arrêt, pour alimenter la partie de pression plus élevée de la chambre d'étanchéité. Lorsque la nécessité d'une pression de blocage augmentée dans cette partie de la chambre d'étanchéité n'existe que pendant de brèves périodes d'interruption de service, la résistance hydraulique produite par la pompe volumétrique lors- qu'elle est arrêtée s'oppose à ce que la pression s'écoule tout simplement vers le cSté basse pression. Lorsque le maintien de la pression est nécessaire pendant une période plus longue, la pompe peut être munie d'un clapet antiretour. Un tel clapet antiretour peut être également disposé dans le conduit d'alimen- tation en liquide, ce qui entraine, il est vrai, la possibilité qu'il s'établisse une pression plus élevée du c8té basse pression de la chambre d'étanchéité pendant l'arrêt de fonctionnement et qu'en conséquence, l'étanchéification de la chambre d'étanchéité du côté basse pression doive être réalisée avec une meilleure qualité que lorsqu'on n'a às; 'attendre, dans cette région, qu'à des pressions qui sont de l'ordre de grandeur de la pression extérieure. En tant que pompe, on utilise de préférence une pompe à cellules semi-rotative, bien que d'autres pompes refoulantes volumétriques soient utilisables, par exemple des pompes à engrenages. D'après une autre caractéristique de l'invention, les disques statoriques de la pompe peuvent être:.raccordés sans possibilité de rotation à la partie du dispositif d'étanchéité à laquelle est également raccordé l'anneau mobile axialement de la garniture étanche à anneau glissant, le ressort qui sollicite cet anneau prenant appui sur le disque statorique qui est de son c8té. la partie à laquelle sont raccordés les disques statoriques de la pompe est opportunément la botte d'tétanchéité. Lorsqu'il est question d'un arbre à propos du dispositif d'étanchéité à anneau glissant suivant l'invention, on doit entendre par là, d'une manière tout à fait générale, le contre- élément du joint étanche, qui tourne par rapport à la botte d'étanchéité, quelle que soit sa forme concrète. Ce terme est donc destiné à couvrir aussi des manchons d'arbres, ainsi que des corps de révolution qui tournent par rapport à la botte et dont la surface participant à la délimitation de la chambre d'étanchéité - à la différence des formes d'arbre usuelles - n'a pas une forme très allongée en direction axiale. L'invention est ci-après expliquée de façon plus détaillée en référence aux dessins qui illustrent des exemples de réali- sation avantageux. La fig. 1 représente une première forme de réalisation. la fig. 2 représente une seconde forme de réalisation avec des parties de l'installtion s'y rattachant. Dans la forme de réalisation suivant la fig. 1, le manchon d'arbre 1 porte sur le pourtour extérieur, à l'une de ses extrémités, l'anneau glissant 2 qui tourne avec lui et est fixe axialement, cet anneau étant rendu étanche par rapport à lui par une bague torique 3 et formant une surface radiale de glissement Iisse4. Il présente une surface extérieure 5 essen- tiellement cylindrique. Sa surface intérieure 6 est réalisée de manière à s'adapter sur un arbre (non représenté) qui le porte et elle contient une rainure 7 pour son assemblage solidaire à la rotation avec l'arbre au moyen d'une clavette parallèle fixée par des vis ou d'une cheville 8. La botte d'étanchéité 9, disposée coaxialement avec le manchon 1, forme une surface intérieure 10, essentiellement cylindrique, qui entoure concentriquement la surface extérieure 5 du manchon d'arbre pour former la chambre d'étanchéité 11; celle-ci contient, à son extrémité située du c8té de la chambre 12 à rendre étanche, l'anneau glissant (contre-anneau) 13 qui coopère avec l'anneau glissant 2, est mobile axialement et forme, 25560.53 au moyen d'une garniture annulaire 14, la surface d'étanchéité qui coopère avec la surface de glissement 4 de l'anneau glis- sant 2. L'anneau glissant 13 est rendu étanche par rapport à la botte d'étanchéité 9 par un joint en U à lèvres 15. A l'extrémité opposée, la chambre d'étanchéité 11 est fermée par un couvercle 16 comportant une bague à lèvres avec ressort 17. Dans la surface intérieure 10 de la botte d'étanchéité 9 est encastré le stator de la pompe à cellules semi-rotative qui se compose du disque de commande 18 du c8té refoulement, de l'anneau de bottier intérieur 19 et du disque de commande 20 du c8té basse pression, qui sont maintenus sans possibilité de rotation les uns par rapport aux autres et par rapport à la botte par un boulon qui n'est pas visible dans le plan de coupe et qui est indiqué par la ligne de points et de tirets 21. En direction axiale, ils sont maintenus ensemble par un épaulement 22 du couvercle 16 et un épaulement 23 de la botte d'étanchéité. Entre les disques de commande 18, 20 est monté sur le manchon 1, en dedans du disque 19 en direction radiale, le rotor de pompe 24 qui est rendu solidaire du manchon en rotation par la bille logée dans des creux appropriés du manchon et du rotor. Le rotor contient les pièces coulissantes de la pompe qui glissent sur la surface interne du disque 19 et délimitent entre elles les cellules de pompe, sans qu'il soit nécessaire d'expliquer cela en détail, car ce type de pompe est généralement connu. Le ressort 26 qui presse axialement l'anneau glissant 13 contre l'anneau glissant 2 prend appui sur le disque de commande 18 du c8té haute pression de la pompe. Une cheville 27, destinée à immobiliser l'anneau glissant 13, est également maintenue à son extrémité fixe dans le disque de commande 18. la pompe est agencée de telle manière qu'avec le sens prévu de rotation de l'arbre 1 par rapport à la botte 9, elle refoule le liquide contenu dans la chambre d'étanchéité 11 depuis le c8té gauche sur le dessin vers la droite. Par consé- quent, la partie de la chambre d'étanchéité comprise entre la pompe et la garniture étanche à anneau glissant est sous-la pression de refoulement de la pompe. Cette partie de la chambre d'étanchéité est reliée à un conduit d'évacuation de liquide 28 qui contient une soupape d'arrêt à boulet 29 sollicitée par un ressort, en tant que limiteur de pression dont la pression est réglable au moyen de la vis 30. Le limiteur de pression 29 est réglé de telle manière que la pression de blocage au niveau de la garniture étanche à anneau glissant soit supérieure, dans la mesure nécessaire, à la pression à étancher dans la chambre 12. la pompe est dimensionnée de telle manière que son débit de refoulement dépasse son débit de fuite à-la vitesse de rota- tion à Iaquelle la pleine pression de blocage doit intervenir. Au-dessus de cette vitesse de rotation, la soupape 29 s'ouvre et, à partir de là, la pression de blocage reste pratiquement constante., Ia partie de la chambre d'étanchéité 11 du c8té opposé à la garniture étanche à anneau glissant est raccordée à un con- duit d'alimentation en liquide 31 qui est en communication avec le conduit d'évacuation de liquide 28 par l'intermédiaire d'un réservoir de liquide extérieur (non représenté) et, le cas échéant, d'une sonde. la disposition est opportunément telle qu'il s'établisse, dans cette partie extérieure de la chambre d'étanchéité, une pression qui se situe un peu au-dessus de la pression dans la chambre à basse pression 32 (par exemple la pression atmosphérique), afin que la bague à lèvres avec ressort 17 soit suffisamment lubrifiée et qu'il ne soit pas aspiré d'air. Dans la forme de réalisation suivant la fig. 2, l'arbre 41, qui porte un manchon d'arbre 42, 43, est monté à rotation par rapport à la botte 40. Sur le manchon d'arbre est disposée la garniture étanche à anneau glissant qui prend appui sur une bague d'arrêt 44:par le ressort 45 et qui comprend un anneau glissant 46 qui est rendu étanche par rapport au manchon d'arbre au moyen d'une bague torique 47. L'anneau glissant 46 agit sur un contre-anneau 48 qui est disposé dans la botte 40, y est maintenu de manière étanche au moyen d'un collier 49 et est assujetti à la rotation par une cheville 50. Ia botte 40 entoure la garniture étanche à anneau glissant avec une chambre d'étanchéité 51 qui est fermée, du c8té opposé à la garniture étanche à anneau glissant, par une pompe à cellules semi-rotative 52 qui est reliée à la chambre d'étanchéité 51 par un conduit 53 qui constitue la conduite de refoulement avec le sens de rotation prévu, tandis que sa conduite d'aspiration 54 débouche dans la partie 55 de la chambre d'étanchéité qui se trouve entre la pompe et une bague à lèvres avec ressort 56 qui rend la botte étanche par rapport au manchon d'arbre 42 de ce c8té de la pompe. La pompe 52 et la bague à lèvres avec ressort 56 sont contenues dans une partie 58 de la botte qui est raccordée solidement et de manière étanche à la botte 40 par des boulons 57. Le liquide refoulé par la pompe 52 quitte la chambre d'étan- chéité 51 par la forure de communication vers la conduite 60 qui contient tout d'abord un manomètre pour le contr8le de la pression, puis un réservoir d'égalisation de pression 61, puis un limiteur de pression 62, de préférence réglable, et enfin un réfrigérant 63. Il arrive dans un réservoir ouvert 64, à partir duquel il est ramené par une conduite 65, à travers un filtre 66 et un clapet antiretour 67, vers la forure de commu- nication 68 de la partie 55 de la chambre d'étanchéité et, de la sorte, du côté aspiration de la pompe 52. Par la hauteur statique du réservoir ouvert 64, la pression dans la partie 55 de la chambre d'étanchéité, c'est-à-dire du coté intérieur de la garniture étanche de l'arbre 56, peut être réglée à une valeur voulue qui, de préférence, ne dépasse guère la pression atmosphérique. Cela est possible sans difficulté, même lorsque la pression à étancher à gauchede la garniture étanche à anneau glissant est élevée. Le mode de fonctionnement est semblable à celui qui a été expliqué plus complètement ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant, comprenant un arbre, une botte d'étanchéité qui entoure l'arbre en renfermant une chambre d'étanchéité, une garniture étanche à anneau glis- sant qui ferme la chambre d'étanchéité à l'extrémité du c8té haute pression et une pompe, prévue dans la chambre d'étanchéi- té, qui divise cette dernière en une partie sous basse pression qui est reliée à un conduit d'alimentation-en liquide et en une partie sous plus haute pression, qui est située du côté de la garniture étanche à anneau clissant et qui est reliée à un conduit d'évacuation du liquide, caractérisé en ce que, pour la formation d'une garniture étanche à fluide de blocage, la pompe (18, 19, 20, 27; 52) est réalisée sous forme de pompe volumétrique et en ce que leconduit d'évacuation du liquide (28; 60) contient un élément de résistance hydraulique (29; 62) qui est dimensionné pour une pression-plus élevée, à la vitesse de rotation de régime, que la pression à étancher. 2. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'élément de résistance hydrau- lique est un étranglement. 3. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que l'étranglement est réglable. 4. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que l'étranglement est réglable automatiquement en fonction de la pression plus élevée. 5. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que l'étranglement est un limiteur de pression (29; 62) réglable au-dessus de la pression à étancher. 6. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le conduit d'alimentation en liquide est raccordé à un réservoir de liquide (64) qui est en communication avec l'atmosphère et qui est placé plus haut que la chambre d'étanchéité. 7. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la partie sous basse pression (55) de la chambre d'étanchéité (11) est fermée par une garni- ture étanche de moindre qualité (17, 56). 8. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la pompe est une pompe à cellu- les semi-rotative. 9. Dispositif d'étanchéité à anneau-glissant selon.la revendi- cation 3, caractérisé en ce que les disques de stator(18, 20) de la pompe sont raccordés sans possibilité de rotation mutuelle à la partie (9) du dispositif d'étanchéité à laquelle est également raccordé l'anneau mobile axialement (13) de la garniture étanche à anneau glissant (2, 13), et en ce que le ressort (26) qui sollicite cet anneau prend appui sur le disque- de stator (18) qui est de son c8té. 10. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon la revendi- cation 9, caractérisé en ce que les disques de stator (18, 20) sont raccordés à la botte d'étanchéité (9). 11. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon l'une quel- conque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est raccordé à un arbre de pompe. 12. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon l'une quel- conque des revendications T à 11, caractérisé un ce qu'un accumulateur hydraulique (61) est raccordé au conduit d'évacua- tion du liquide avant l'élément de résistance hydraulique dans le sens du courant. 13. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon la revendi- cation 12, caractérisé en ce que la pompe est munie d'un clapet antiretour. 14. Dispositif d'étanchéité à anneau glissant selon la revendi- cation 12, caractérisé en ce que le conduit d'alimentation en liquide (31; 65) contient un clapet antiretour (67).