Brevet FR2573163A1 — publié le 19860516

Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage ". L'invention concerne un dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage entre un volume intérieur et un volume extérieur, dispositif comportant un disque d'étanchéité relié solidairement à l'arbre et qui crée dans la chambre d'étanchéité non rotative mais qui l'entoure, une augmentation de la pression radiale du liquide de barrage introduit dans cette chambre d'étan- chéité. De tels dispositifs d'étanchéité sont en général connus sous la dénomination de "dispositifs d'étanchéité à force centrifuge"; dans ces dispositifs, un disque d'étanchéité relié solidairement à l'arbre en- gendre lors de la rotation de l'arbre à l'intérieur de la chambre d'étanchéité qui ne tourne pas, une augmentation de la pression radiale (effet de pompage) du liquide de barrage introduit dans la chambre d'étanchéité; ainsi, il se forme un anneau de liquide de barrage en rotation dans la zone extérieure du disque d'étanchéité tournant, et dont le diamètre intérieur se règle de part et d'autre du disque d'étanchéité tournant en fonction de la diffé- rence de pression entre le volume intérieur et le volume extérieur de façon à établir un état d'équilibre. Ce dis- positif d'étanchéité fonctionne sans usure et sans perte importante de liquide de barrage du volume intérieur. Toutefois, l'effet de ce dispositif d'étanchéité disparaît aux faibles vitesses de rotation ou à l'arrêt de l'arbre du fait de la suppression de l'effet de force centrifuge. Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà combiné des dispositifs d'étanchéité à force cen- trifuge et des dispositifs d'étanchéité à bague flottante qui forment en tant que douilles cylindriques mobiles radialement, séparées de façon étanche par rapport au bottier et avec l'arbre un intervalle d'étanchéité, axial, rempli de liquide de barrage. Ces dispositifs d'étanchéité à bague flottante nécessitent dès l'arrêt de la rotation de l'arbre, une surpression du liquide de barrage par rap- port au volume intérieur, surpression réglable de l'exté- rieur, à cause des variations de pression de gaz; dans ces conditions, lorsque l'arbre est à l'arrêt ou pour les faibles vitesses de rotation, on a des pertes importantes de liquide de barrage du volume intérieur. On peut arriver a des pertes de liquide de barrage extrêmement faibles à l'arrêt et dans toute la plage des vitesses de rotation en utilisant des disposi- tifs d'étanchéité à bague glissante; dans ces dispositifs une ou plusieurs bagues ou anneaux glissants sont poussés axialement contre un joint d'étanchéité relié à l'arbre, par un élément élastique assurant en même temps l'étan- chéité. Le liquide de barrage introduit entre les anneaux de glissement assure le refroidissement et l'étanchéité. Néanmoins aux vitesses de glissement rapides, on a des tem- pératures élevées dans l'intervalle annulaire de dimensions radiales extrêmement faibles, températures quiipeuvent détériorer le liquide de barrage et l'anneau de glissement supprimant tout effet au dispositif d'étanchéité. La présente invention a pour but de créer un dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage du type ci-dessus, qui assure une fuite de li- quide de barrage extrêmement faible du volume intérieur en position de repos jusqu'à la vitesse de rotation maxi- maie de l'arbre et évite une décomposition du liquide de barrage et une usure du dispositif d'étanchéité. A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'étanchéité du type cidessus caractérisé en ce qu'au moins une paroi latérale de-la chambre d'étan- chéité est constituée en totalité ou en partie à l'aide d'un ou plusieurs pistons axiaux qui comportent sur la face tournée vers le disque d'étanchéité, une ou plusieurs bagues de coulissement et sur la face arrière un ou plu- sieurs éléments élastiques d'étanchéité, exerçant une force axiale en direction du disque d'étanchéité, et en ce qu'à l'arrêt de l'arbre et pour les vitesses de rota- tion faibles de l'élément, le piston axial et la bague de glissement sont poussés contre le disque d'étanchéité et pour les vitesses de rotation plus élevées, ils sont sou- levés dans la direction axiale par rapport au disque d'étanchéité, rotatif, sous l'effet de l'augmentation de la pression radiale du liquide de barrage dans la chambre d'étanchéité. Cette opération se fait normalement de façon automatique c'est-à-dire sans réglage complémentaire à partir de l'extérieur. Dans les cas particuliers, on peut toutefois influencer de façon complémentaire la force axiale, par exemple en réglant la pression du liquide de barrage dans la chambre derrière le piston axial à l'aide des perçages d'évacuation de cette chambre. Pour éviter d'influencer la pression d'alimentation du liquide de barrage par effet de force centrifuge du liquide de barrage en rotation, il est aan- tageux d'introduire le liquide de barrage dans la chambre d'étanchéité à un diamètre aussi faible que possible. I1 peut également être avantageux comme sécurité complémentaire contre une éventuelle défail- lance de l'étanchéité de prévoir un intervalle d'étanchéi- té supplémentaire dans la chambre d'étanchéité entre l'alimentation de liquide de barrage et la chambre d'étan- chéite, par exemple une bague flottante. Pour les différences de pression élevées entre le.olume intérieur et le volume extérieur, il est avantageux de prévoir une ou plusieurs bagues ou anneaux flottants entre la chambre d'étanchéité et le volume exté- rieur. Cela permet d'arriver à des pressions de liquide de barrage élevées dans la chambre d'étanchéité. Le liquide de barrage qui s'échappe vers le volume extérieur par l'in- ter\alle d'étanchéité des bagues flottantes sert en meme temps au refroidissement indirect de la chambre d'étan- chéité. Pour arriver à une construction compacte et un meilleur équilibrage de la charge en pression axiale de la bague flottante, la chambre d'étanchéité y compris la bague ou l'anneau de glissement, le piston axial et un élément sont intégrés à l'organe annulaire flottant qui forme un intervalle d'étanchéité avec l'arbre entre la chambre d'étanchéité et le volume extérieur. Dans un mode de réalisation de l'inven- tion. le piston axial fixé à l'élément (par exemple sous la forme d'un soufflet) glisse dans une douille d'étanchéi- té cylindrique qui est prévue coulissante radialement dans le boitier de la machine pour arriver à une plus grande mobilité du piston axial fixé à l'élément, au niveau de l'intervalle d'étanchéité. Pour une meilleure adaptation à des pressions différentes dans le volume intérieur et pour arriver ainsi à un diamètre intérieur différent pour l'anneau de liquide en rotation, il est avantageux de réa- liser les surfaces limites intérieures tournantes de la chambre d'étanchéité avec des diamètres différents. En influençant l'augmentation de la pression radiale dans la chambre d'étanchéité à l'aide de bossages pré6us de part et d'autre ou d'un côté du disque d'étanchéité tournant, par exemple des aubes de pompe, on arrive à un meilleur équilibrage des pressions diffé- rentes dans le volume intérieur. La veine de liquide de barrage tournant dans la chambre d'étanchéité peut être influencée par une ou plusieurs extensions axiales ou cavités dans le disque d'étanchéité tournant et la paroi en regard de la chambre d'étanchéité. Pour ne pas augmenter la pression du liquide de barrage dans la chambre, du côté arrière du piston axial, sous l'effet de la rotation, on peut prévoir dans la chambre des nervures interdisant la rotation du liquide de barrage. La bague glissante peut être constituée de façon avantageuse par un charbon glissant. La bague glissante peut également être constituée de façon connue en soi par un effet hydrostatique ou un effet hydrodynami- que agissant sur l'intervalle d'étanchéité, dans la mesure ou l'intervalle d'étanchéité est encore suffisamment fai- ble. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide de différentes vues en coupe partielle de quelques exemples de réalisation. Dans les dessins: - la figure 1 montre un dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon l'inven- tion, lorsque l'arbre est au repos. - la figure 2 montre un dispositif d'étanchéité d'arbre selon la figure 1 lors de la rotation de l'arbre. - la figure 3 montre un dispositif d'étanchéité d'arbre avec un intervalle d'étranglement extérieur formé par une bague flottante et la douille d'étanchéité coulissante radialement du piston axial. - la figure 4 montre un dispositif d'étanchéité d'arbre intégré à une bague flottante. - la figure'5 montre un dispositif d'étanchéité d'arbre avec un piston axial situé à l'inté- rieur, des nervures dans la chambre derrière le piston axial et des aubes de pompe sur le disque d'étanchéité tournant. - la figure 6 montre un dispositif d'étanchéité d'arbre avec un autre mode de réalisation de l'élément élastique d'étanchéité, de pression et des développements axiaux et des cavités dans le disque d'étan- chéité et le boltier de la machine. - la figure 7 montre un dispositif d'étanchéité d'arbre à bague glissante à double face. - la figure 8 montre un dispositif d'étanchéité d'arbre avec deux bagues glissantes prévues d'un côté. Selon la figure 1, le dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage est prévu dans un boîtier de machine 1 pour assurer l'étanchéité du pas- sage de l'arbre 2 entre un volume intérieur 3 et un volu- me extérieur 4. Un disque d'étanchéité 5 est relié rigide- ment à l'arbre 2. Ce disque d'étanchéité 5 est entouré des deux côtés et à la périphérie par une chambre d'étan- chéité 6. Une bague glissante 7 est fixée sur un piston axial 8; ce piston axial 8 et la bague glissante 7 sont poussés par un élément 9 (qui dans ce cas est un soufflet) contre le disque d'étanchéité 5 lorsque l'arbre est au repos. Les perçages d'alimentation 10 envoient le liquide de barrage dans le volume intérieur de la chambre d'étan- chéité 6. Ce liquide de barrage remplit toute la chambre d'étanchéité 6 entre la bague de glissement 7 et l'inter- valle d'étranglement Il formé entre la chambre d'étanchéi- té 6 et le volume extérieur 4 du boltier 1 de la machine et 1' arbre 2. En cas de surpression du liquide de barrage dans la chambre d'étanchéité 6 par rapport au volume extérieur, ce volume étant par exemple soumis à la pression atmosphérique, la plus grande partie du li- quide de barrage s'échappe par l'intervalle d'étrangle- ment 11 hors de la chambre d'étanchéité 6 vers le volume extérieur 4. En cas de légères surpressions du liquide de barrage dans la chambre d'étanchéité par rapport à la pression du gaz dans le volume intérieur 6, une faible quantité de liquide de barrage fuit par la bague glissan- te 7 hors de la chambre d'étanchéité 6 dans le perçage d'évacuation 12 du volume intérieur 3. L'intervalle d'étan- chéité 13 du piston axial 8, la chambre 14 située du côté arrière du piston axial 8 et les perçages d'évacuation sont soumis à la pression d'alimentation du liquide de barrage vers la chambre d'étanchéité 6, de sorte qu'à l'arrêt de l'arbre 2, il n'y a aucun écoulement de liquide de barrage. A la figure 2, la chambre 14 située du côté arrière du piston axial 8 est soumise à la même pres- sion de liquide de barrage par l'intermédiaire du perçage d'évacuation 15 que la pression régnant à l'arrêt de l'ar- bre. Du liquide de barrage est introduit dans la chambre d'étanchéité 6 par les perçages d'alimentation 10 à la même pression que dans le perçage d'évacuation 15. Sous l'effet de l'augmentation de la pression radiale engendrée par la vitesse de rotation NB dans la chambre d'étanchéité 6, le piston axial 8 et la bague glissante 7 se sont déga- gés du disque d'étanchéité 5, rotatif et s'appliquent par la face arrière contre des saillies de butée 16 du bottier I de la machine. Un anneau de liquide de barrage en rota- tion s'étend ainsi à partir de l'intervalle d'étranglement 11, extérieur, par-dessus la bague glissante 7 jusqu'à une limite intérieure 17 dont le diamètre se règle automa- tiquement suivant la différence de pression entre la pres- sion d'alimentation en liquide de barrage et la pression du gaz régnant dans le volume intérieur 3. & Pour une pression d'alimentation de liquide de barrage plus élevée par rapport à la pression du gaz. la limite 17 se trouve au niveau d'un plus petit diamètre que la limite intérieure 18 de la chambre d'étan- chéité 10 vers le volume extérieur 4. Lorsque le liquide de barrage tournant dans la chambre d'étanchéité 10 n'est pas influencé par des bossages complémentaires reliés solidairement au disque d'étanchéité tournant, il faut un plus petit diamètre pour la limite intérieure 19 de la chambre d'étanchéité 6. Sous l'effet de la surpression du liquide de barrage, surpression engendrée par la force centrifuge, au niveau du diamètre extérieur de la chambre d'étanchéité 6, lors de la rotation, du liquide de barrage s'écoule par l'intervalle d'étanchéité 13 du piston axial 8 vers le perçage d'évacuation 15. Par l'échange du liquide de barrage tournant dans la chambre d'étanchéité 6, on refroidit ce liquide. Au niveau de la limite intérieure 17 de l'anneau de liquide de barrage, il ne se produit aucune fuite notable de liquide de barrage. Pour une même différence de pression qu'au repos, on a sensiblement la même fuite de liquide de barrage qui s'échappe par l'in- tervalle d'étanchéité extérieur 11 vers le volume exté- rieur 4 que la fuite au repos. A la figure 3, l'intervalle d'étanchéi- té 11, extérieur, est formé par l'arbre 2 et une bague flottante 20, coulissante radialement dans le bolitier I de la machine et dont l'étanchéité est assurée latérale- ment par des joints toriques 21. Entre le perçage d'alimen- tation de liquide de barrage 10 et la chambre d'étanchéité 6, on a un intervalle d'étanchéité supplémentaire 29. De plus dans cet exemple de réalisation, la limite extérieu- re de l'intervalle d'étanchéité 13 du piston axial 8 est formée par une douille d'étanchéité 22 cylindrique, cou- lissante radialement dans le bottier 1 de la machine; l'étanchéité de cette douille par rapport au boîtier 1 de la machine est réalisée par des joints toriques 23; la chambre extérieure 24 est reliée à la chambre d'étan- chéité 6 par des perçages d'équilibrage 25 pour assurer une meilleure mobilité radiale. A la figure 4, la chambre d'étanchéité 6, la bague glissante 7, le piston axial 8 et le soufflet 9 sont intégrés à un même organe annulaire flottant 26 qui forme l'intervalle d'étanchéité extérieur 11 avec l'arbre 2. Le liquide de barrage est introduit dans la chambre 27 qui entoure l'organe annulaire flottant 26 par les perçages 28 réalisés dans le bottier 1 de la machine et par les perçages d'alimentation 10 de l'organe annulai- re flottant 26 et un intervalle d'étanchéité 29 supplémen- taire existant au niveau intérieur de la chambre d'étan- chéité 6. L'augmentation de pression radiale engendrée à la périphérie extérieure de l'écoulement de liquide de blocage, tournant, transmise par les perçages d'évacuation est transmise en retour par l'intervalle d'étanchéité 13 du piston axial 15 et les perçages d'évacuation 15 dans la chambre 27; dans cette chambre, le liquide de barrage chauffé par frottement dans la chambre d'étanchéité 6 est mélangé à du liquide de barrage frais et est renvoyé par les perçages d'alimentation 10 dans la zone intérieur de la chambre d'étanchéité 6 en passant par l'intervalle d'étanchéité 29 et par l'intervalle d'étanchéité 11 vers le volume extérieur. Le liquide de barrage qui sort du perçage d'évacuation 15 peut toutefois également être renvoyé directement par les conduites 30 dans l'alimenta- tion en liquide de barrage. Des joints toriques 31 interdisent toute fuite extérieure entre l'organe annulaire flottant 26 et le bottier 1 de la machine. La figure 5 montre un mode de réalisa- tion comportant un intervalle d'étanchéité 13 intérieur pour le piston axial 8. Lorsque l'arbre 2 est au repos, dans ce mode de réalisation, seule la zone intérieure 32 de la chambre d'étanchéité 6 est remplie de liquide de barrage introduit en passant par les perçages d'alimenta- tion 10 jusqu'à l'anneau glissant 7. A la rotation de l'arbre, une faible partie du liquide de barrage s'écoule de la zone intérieure 32 en passant par l'intervalle d'étanchéité 13 du piston axial 8 dans le volume 14 der- rière le piston axial qui communique avec l'alimentation en liquide de barrage par des perçages d'équilibrage de pression 33. Des nervures radiales 34 prévues dans la chambre 14 évitent toute mise en rotation du liquide de barrage dans cette chambre. Des aubes de pompe 35 reliées solidairement au disque d'étanchéité 5 rotatif, servent à rendre optimale la répartition de la pression dans la bague de liquide de barrage lors de la rotation de l'arbre. Des perçages d'évacuation 36 et un robinet 37 permettent d'évacuer une partie du liquide de barrage à la périphérie extérieure de la chambre d'étanchéité 6 pour assurer le refroidissement et le dégazage. La figure 6 montre un élément élasti- que, d'étanchéité exerçant une force axiale et qui est constitué par la combinaison d'un joint torique 38 et de ressorts de compression 39 répartis à la périphérie de ce joint; le liquide de barrage introduit par les perçages d'alimentation 10 peut passer dans la chambre 14 derrière le piston axial 8 à travers ces ressorts de compression. Pour influencer l'effet de forces centrifuges au niveau de la bague de liquide de barrage, en rotation, le disque d'étanchéité 5 comporte une extension axiale 40 de forme annulaire et le boitier I de la machine est muni d'une cavité 41 correspondante de forme annulaire. La figure 7 montre un mode de réalisa- tion avec un joint d'étanchéité par bague glissante sur deux faces. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'avoir un intervalle d'étranglement extérieur, complémentaire. Au repos, les deux bagues glissantes 7 sont pressées cha- cune sur une surface frontale du disque d'étanchéité 5, de sorte que leurs forces axiales respectives se compen- sent réciproquement sur le disque d'étanchéité 5. Du liquide de blocage est introduit dans la chambre d'étan- chéité 6 par les perçages d'alimentation 10, les chambres 14 derrière les pistons axiaux 8 et les perçages 42. La chambre d'étanchéité 6 est remplie de liquide de barrage dans la zone du diamètre extérieur jusqu'au niveau des bagues glissantes 7. Les faibles pertes de liquide de bar- rage passent par les bagues glissantes 7 pour arriver dans le volume intérieur 3 et le volume extérieur 4. Lors de la rotation de l'arbre 2, la pression du liquide de barrage augmente dans la chambre d'étanchéité 6 et elle pousse les pistons axiaux en arrière contre les butées 16. Les limites internes 43 et 44 des anneaux de liquide de barrage s'étendent par-dessus les bagues glissantes 7 à des diamètres plus petits qui s'établissent en fonction des pressions des gaz appliquées au volume intérieur et au volume extérieur. Le liquide de barrage qui s'écoule par les perçages 42 des pistons axiaux 8 dans la chambre d'étanchéité 10 est de nouveau renvoyé dans les chambres 14 soumises à la pression d'alimentation, du fait de l'augmentation de la pression radiale entraînée par les forces centrifuges dans la chambre d'étanchéité 6, ce renvoi de liquide se faisant en partie par le joint d'étan- chéité 13 des pistons axiaux. Une partie du liquide est envoyée dans la douille d'étanchéité cylindrique 47 des pistons axiaux 8, de la chambre 48 et des conduites 49 avec le robinet 50 pour être refroidie. Selon la figure 8, pour arriver à une plus faible longueur axiale, on presse deux bagues glis- santes 7, contre une face du disque d'étanchéité 5. Les perçages d'alimentation 10 dans le bottier 1 de la machine des conduites de liaison élastiques 51 et les perçages 42 dans le piston axial intérieur 8 envoient du liquide de barrage à la partie 52 de la--chambre d'étanchéité 6; cette chambre vue dans la direction radiale est délimitée à l'intérieur par la bague glissante 8 et à l'extérieur par la bague glissante 53 dans le piston axial extérieur 54. La chambre 55 est reliée à la chambre 52 par l'inter- valle d'étanchéité 13 formé par les pistons axiaux 8 et 54. Lors de la rotation de l'arbre 2, il s'établit une surpression de liquide de barrage dans la chambre 52. sur- pression qui soulève les pistons axiaux 8 et 54 et les bagues glissantes 7 et 6 par rapport au disque d'étanchéi- té 5. Ainsi de façon analogue à la figure 7, de part et d'autre du disque d'étanchéité 5, on obtient ainsi des anneaux de liquide de barrage, en rotation. Une partie du liquide de barrage envoyée par les perçages 10 s'évacue alors dans la chambre 52 sous l'effet de l'augmentation de la pression radiale en passant par l'intervalle d'étan- chéité 13, la chambre 55 et les perçages 15. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'étanchéité caractérisé en ce que le piston axial (8) fixé à l'élément (9) forme avec le boltier de la machine (1), un intervalle d'étanchéité (13), radial à partir duquel le liquide de barrage est évacué de la chambre d'étanchéité (6) sans arriver dans le volume intérieur rempli de gaz. 2) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre les perçages d'alimentation de liquide de barrage (10) et la chambre d'étanchéité (5), il y a un intervalle d'étanchéité (29). 3) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'intervalle d'étanchéité (29) est formé par l'arbre (2) et par une bague flottante (26). 4) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que une ou plusieurs bagues flottantes (20) sont prévues entre la chambre d'étanchéité (5) et le volume extérieur (4). ) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre d'étanchéité (6) y compris les bagues de glis- sement (7), les pistons axiaux (8) et les éléments (9) sont intégrés à un organe annulaire flottant (26) qui forme avec l'arbre (2), l'intervalle d'étanchéité (11) prévu entre la chambre d'étanchéité (6) et le volume extérieur (4). 6) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le piston axial (8) fixé à l'élément (9) glisse dans une douille d'étanchéité (22) cylindrique, qui est coulissante radialement dans le bottier (1) de la machine. 7) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les surfaces limites internes rotatives (18 et 19) de la chambre d'étanchéité (6) ont un diamètre différent. 8) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des saillies (35) influençant l'augmentation de la pression du liquide de barrage sont prévues d'un côté ou des deux côtés sur les surfaces frontales du disque d'étanchéité (5). 9) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le disque d'étanchéité (5), rotatif et les parois de la chambre d'étanchéité (6) comportent une ou plusieurs extensions axiales (40) ou cavités (41) d'un côté ou des deux côtés. ) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que des nervures (34) pour éviter la rotation du liquide de barrage sont prévues dans la chambre (14) sur la face arrière du piston axial (8). 11) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la bague d'étanchéité (7) est consti- tuée par un charbon de glissement. 12) Dispositif d'étanchéité d'arbre à liquide de barrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la bague de glissement (7) est réalisée en forme de bague d'étanchéité hydrostatique et/ou hydro- dynamique.