Brevet FR2595430A1 — publié le 19870911

Dispositif d'étanchéité pour machine à fluide rotative " L'invention concerne un dispositif d'étanchéité pour machine à fluide rotative capable d'assurer un entraînement de sécurité à grande vitesse en utilisant une alimentation d'huile du dispositif d'étanchéité, en introduisant un ensemble présentant une fonction de palier supplémentaire dans le disposi- tif d'étanchéité, et en poussant l'ensemble vers le bas par la force d'une pression hydraulique pour aug- menter le nombre des pivots cinétiques de deux, dans le cas de paliers classiques, à quatre dans le cas de l'invention, de manière à augmenter ainsi la vitesse de sécurité de l'arbre. Les grandes lignes d'un disposi- tif d'étanchéité classique seront décrites en se référant aux figures 6 et 7 relatives à la technique classique. Une machine à fluide rotative classique telle qu'un compresseur, une soufflerie d'air ou une turbine, comporte deux paliers disposés dans les parties d'extrémité opposées d'une chambre d'arbre et, dans le cas d'une machine à fluide rotative dans laquelle l'arbre rotatif traverse la chambre d'arbre, il s'est avéré nécessaire d'entraîner un arbre rotatif long et mince à grande vitesse, dans le but d'améliorer le rendement hydrodynamique. Cependant, lorsque l'arbre de rotation long et mince n'est supporté que par des paliers places à ses extrémités opposées, et lorsque cet arbre est entraîné en rotation, sa sécurité à grande vitesse se détériore. Si l'arbre rotatif est entraîné à une vitesse supérieure à sa vitesse de securité, une force giratoire incontrôlable est pro- duite par le fluide passant dans la chambre d'arbre et conduit à une vitesse instable du système d'arbre rotatif. Cette vibration se diffuse dans le temps, de sorte que l'état d'étanchéité assuré entre la chambre d'arbre et l'arbre se détériore, et qu'un contact extrêmement violent se produit entre les pièces tour- nantes et les parties fixes, au risque de les briser. A la limite, le fonctionnement de la machine à fluide rotative peut devenir impossible. Pour éviter ce phénomène intem- pestif, c'est-à-dire pour augmenter la vitesse de securité d'un arbre classique, ce dernier a été épaissi au détriment des performances hydrodynamiques, et/ou le nombre de chambres d'arbre a été augmenté. La figure 6 est une vue en coupe illustrant l'ensemble d'un compresseur centrifuge classique. La référence 1 désigne une chambre d'arbre, la référence 2 désigne un arbre rotatif, la référence 3 désigne chacun des paliers placés dans les parties d'extrémité opposées de la chambre d'arbre 1, et la référence 4 désigne chacun des joints d'étanchéité. Dans un dispositif d'étanchéité classique tel que celui représenté en figure 7, un anneau d'étanchéité coté atmosphérique 6 et un anneau d'étanchéité coté intérieur de chambre 7 sont disposés dans un carter 5, ces anneaux 6 et 7 étant séparés de l'arbre 2 par un petit intervalle. Cette disposition empêche l'huile sous pression amenée entre les deux anneaux d'étanchéité 6 et 7 de s'échapper. Les deux anneaux d'étanchéité 6 et 7 sont conçus pour glisser librement sur les surfaces intérieures du carter 5, ces surfaces étant perpendiculaires à l'axe de l'arbre 2, en conformité avec le mouvement de rotation de l'arbre 2. Par suite, un tel joint d'étanchéité à membrane d'huile ne présente aucune force de réaction sur l'arbre tournant. L'invention a pour but de créer une machine à fluide rotative à grande vitesse, de rendement très élevé et de faible coût, dans laquelle le fluide amené dans un dispositif d'étanchéité peut être utilisé efficacement pour assurer un entraînement de sécurité. A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'étanchéité pour machine à fluide rota- tive comportant des paliers placés dans les parties d'extrémité opposées d'une chambre d'arbre et suppor- tant un arbre, dispositif d'étanchéité caractérisé en ce qu'il comprend un joint d'étanchéité à fluide cons- titué par un fluide présentant une pression plus éle- vée que celle de la chambre d'arbre, ce joint d'étan- chéité à fluide étant formé dans une partie de la chambre d'arbre traversée par l'arbre; des paliers de type à pression dynamique classique disposés au milieu du dispositif d'étanchéité à fluide lui-même, ou au voisinage du milieu de celui-ci, ces paliers étant en outre logés dans un carter du dispositif d'étanchéité; et des éléments d'étanchéité destinés à délimiter partiellement un espace formé entre le carter et les paliers dans la direction axiale et dans la direction périphérique, de manière à former une boucle formée; grâce à quoi les paliers sont poussés vers le bas par la différence de pression entre la pression du fluide d'alimentation et une pression extérieure à la chambre d'arbre, de manière à pouvoir augmenter le nombre de pivots cinétiques de l'arbre en augmentant ainsi la vitesse de sécurité de cet arbre. Selon l'invention, lorsque l'huile d'étanchéité commence à être introduite dans le carter 4, un logement de palier 8 est poussé vers le bas par la pression différentielle entre la pres- sion appliquée à sa périphérie par l'huile d'étan- chéité haute pression, et la pression régnant dans la chambre d'évacuation d'huile 12, laquelle se trouve à la pression atmosphérique du fait de la présence du trou de passage relié à l'atmosphère. Dans ce cas, un film d'huile est formé entre les paliers 9 et l'arbre 2. La pression ci-dessus appliquée vers le bas, est transmise à l'arbre 2 par le film d'huile ainsi formé. La fonction d'étanchéité est assurée par les anneaux d'étanchéité qui se comportent ainsi comme des paliers cinétiques, ce qui permet en fait d'obtenir un entrat- nement de sécurité à grande vitesse. L'invention sera décrite en détail en se référant aux dessins joints dans lesquels les figures I à 5 sont relatives à la présente invention, les figures 6 et 7 étant relatives à la technique classique. Sur ces dessins: - la figure 1 est une vue en coupe représentant la constitution d'une partie de palier; - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne IIII de la figure 1; - la figure 3a est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2; - la figure 3b est une vue effectuée dans la direction de la flèche E de la figure 3a; - la figure 4a est une vue en coupe d'une autre forme de réalisation; - la figure 4b est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 4a; - la figure 5 est une vue en coupe d'une autre forme encore de réalisation dans laquelle les paliers sont intégrés dans un joint d'étanchéité à contact mécanique; - la figure 6 est une vue en coupe représentant l'ensemble d'un exemple de réali- sation selon l'art antérieur; et - la figure 7 est une vue en coupe du dispositif d'étanchéité de l'exemple de réalisation de la figure 6. Une forme de réalisation de l'in- vention sera décrite en détails en se référant aux figures 1 à 5. La figure 1 représente une nou- velle partie de palier ajoutée selon l'invention. Sur cette figure, la référence 1 désigne une chambre d'arbre et la référence 4 désigne un carter correspondant à celui d'un dispositif d'étanchéité de technique classique, disposé le long d'une partie de la chambre d'arbre 1 dans laquelle passe l'arbre 2. Les références 6 et 6 désignent des anneaux d'étanchéité à système de film d'huile jouant le même role que dans le cas classique. La référence 8 désigne un nouveau carter de palier utilisé dans la présente invention, des paliers à film d'huile 9 couramment utilisés étant placés à l'intérieur de ce carter 8. La figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, dans laquelle les références respectives de la première figure désignent les mêmes parties que celles de la seconde. La référence 10 désigne chacun des anneaux toriques extensibles réalisés en caoutchouc ou autre. Entre le carter de palier 8 et le carter 4 est maintenu un cer- tain Jeu de façon que le premier carter 8 puisse tourner par rapport au second carter 4. La référence 11. désigne un trou de passage percé dans le carter 4 et débouchant dans l'atmosphère. Les détails de la structure ci- dessus sont représentés dans la vue en coupe de la figure 3a effectuée suivant la ligne III-III de la figure 2 et la figure 3b est observée dans le sens de la flèche E de la figure 3a. Les joints toriques 10 sont placés sur le pourtour extérieur du carter de palier 8 représenté en figure 2, de manière à consti- tuer une boucle fermée, comme indiqué aux figures 3a et 3b. Il est maintenant décrit l'opéra- tion d'entraînement du dispositif d'étanchéité indiqué ci-dessus. Lorsque l'arbre 2 est entralné en rotation, et lorsque de l'huile d'étanchéité sous pression com- mence à être introduite dans le carter 4 par l'ouver- ture d'alimentation d'huile 1', le carter de palier 8 est poussé vers le bas par la pression différentielle entre la pression de l'huile d'étanchéité agissant sur son pourtour, et la pression régnant dans la cham- bre d'évacuation d'huile 12, laquelle se trouve à la pression atmosphérique du fait de la présence du trou de passage 11 relié à l'atmosphère. Dans ce cas, un film d'huile est formé entre les paliers 9 et l'arbre 2. La pression dirigée vers le bas indiquée ci-dessus est transmise à l'arbre 2 par le film d'huile ainsi formé. Comme le montre mieux la figure 1, l'alimentation d'huile haute pression dans le carter 4 par l'ouverture d'alimenta- tion d'huile 1' lubrifie les paliers 9 et agit sur l'anneau d'étanchéité côté atmosphérique 6 et sur l'anneau d'étanchéité côté intérieur de chambre 7 ser- vant à empêcher le gaz contenu dans la chambre de s'échapper de manière analogue au cas classique. Les paliers 9, indiqués ci-des- sus à titre d'exemple, sont des paliers de type à tampon inclinable, mais n'importe quels paliers peu- vent être utilisés dans l'invention à condition que ces paliers soient des paliers radiaux de type à pres- sion dynamique utilisant un film d'huile classique. L'utilisation de ces paliers permet d'obtenir des fonctions analogues. Les figures 4a et 4b représentent une autre forme de réalisation utilisant le même principe que celui décrit ci-dessus. Dans ce cas, un ensemble de paliers (palier 8 et palier 9) sont montés du côté gauche (côté atmosphérique) de l'anneau d'étan- chéité c6té atmosphérique 6 de la figure 4a, c'est-à- dire du côté extérieur du dispositif d'étanchéité lui-même. On considérera maintenant la cons- titution et le fonctionnement de cette forme de réali- sation. L'huile haute pression, jouant le même rôle que de l'huile classique, est amenée dans les parties d'étanchéité des anneaux d'étanchéité 6, 7 et pénètre partiellement dans la chambre d'évacuation d'huile 12 par le trou de passage 11. Cette chambre d'évacuation d'huile 12 est un espace défini par le carter de palier 8 et le carter 4, et une partie de cet espace est déli- mitée par les joints toriques 10 dans la direction périphérique et dans la direction axiale. L'espace dont l'étanchéité est assurée par les joints toriques 10 retient la pression d'huile provenant du côté inférieur, de sorte que l'huile haute pression conte- nue dans la chambre d'évacuation d'huile 12 lubrifie les paliers 9 en servant simultanément à pousser vers le bas l'ensemble de palier constitué par le carter 8 et les paliers 9-. La partie d'espace située au- dessous des joints toriques 11 est complètement reliée à l'atmosphère, de sorte que l'huile haute pression passe le long de l'anneau d'étanchéité côté atmosphé- rique 6 pour sortir finalement par la chambre d'éva- cuation d'huile 12. Dans le cas également o l'ensem- ble de paliers est disposé de cette manière à l'exté- rieur du dispositif d'étanchéité (du côté gauche de l'anneau d'étanchéité 6 de la figure 4a), on peut obtenir le même fonctionnement que celui décrit ci- dessus. Bien que le dispositif d'étan- chéité de type à film d'huile vienne d'être décrit ci-dessus comme étant l'un des dispositifs d'étan- chéité, la figure 5 représente une autre forme de réalisation dans laquelle les paliers sont intégrés dans un joint d'étanchéité à contact mécanique. Le principe de cette forme de réalisation est également identique à celui décrit ci-dessus, c'est-à-dire que l'huile haute pression introduite dans le carter 4 par l'ouverture d'alimen- tation d'huile 1' lubrifie le joint d'étanchéité de contact 6 et résiste simultanément à la pression interne de la chambre d'arbre 1 pour assurer l'étan- chéité du fluide dans la chambre d'arbre 1. De plus, les paliers 9 sont également lubrifiés par l'huile alimentée sous pression. Comme décrit ci-dessus, la cham- bre d'évacuation d'huile 12 est formée entre le car- ter de palier 6 supportant les paliers 9 et le carter 4, cette chambre étant délimitée par les joints tori- ques 10 dans sa partie inférieure et dans ses direc- tions périphérique et axiale, de manière former la boucle fermée. La chambre d'évacuation d'huile 12 est reliée à 1' atmosphère, de sorte que cette chambre 12 se trouve à la pression atmosphérique. Dans une telle disposition, le carter de palier 8 est poussé vers le bas avec les paliers 9, par la différence de pression entre celle de l'huile haute pression et la pression atmosphérique. L'anneau d'étanchéité 7 contrôle les fuites d'huile vers le côté atmosphérique du dis- positif d'étanchéité. Comme cela apparait clairement d'après ce qui précède, le joint d'étanchéité à con- tact mécanique intégrant l'ensemble de palier, peut également servir à pousser l'arbre 2 vers le bas. Dans les formes de réalisation ci-dessus, l'huile haute pression est utilisée comme fluide d'étanchéité et de lubrification, et l'atmos- phère est utilisée comme fluide d'étanchéité à basse pression. Cependant, il est également possible, dans d'autres exemples d'application de l'invention, d'utiliser un autre fluide d'étanchéité que l'huile, et de remplacer l'atmosphère par un autre fluide basse pression. Suivant le principe de l'inven- tion décrite ci-dessus, on peut facilement concevoir que les paliers selon l'invention ne soient disposés que sur l'un ou l'autre côté de la chambre d'arbre 1, de manière à former trois pivots cinétiques. Selon l'invention, les paliers 9 sont poussés vers le bas avec le carter de palier 8, par la fonction indiquée ci-dessus, et l'étanchéité est assurée par les anneaux d'étanchéité 6 et 7. En conséquence, les anneaux d'étanchéité 6 et 7 se com- portent en paliers hydrodynamiques de l'arbre 2. Si un tel ensemble constitué par le carter de palier 8 et les paliers 9 est placé dans le carter 4 de la machine rotative classique, comme indiqué par la figure 6, l'ensemble contenu dans cette machine rotative présente hydrodynamiquement le même effet que lorsque les paliers sont placés dans les quatre positions "C", "D", "D" et "C" de la figure 6. Dans cette disposition de l'in- vention, l'arbre rotative présente les quatre points d'appui hydrodynamiques, et la sécurité de vitesse de l'arbre 2 peut ainsi être considérablement renforcée, sur la base de son principe cinétique, par rapport au cas classique. Par suite, l'invention permet à l'arbre rotatif ainsi constitué de tourner à beaucoup plus grande vitesse que dans l'exemple classique. De plus, le principe de l'invention peut être utilisé pour rendre l'arbre plus mince et plus long que dans le cas classique, car si l'arbre conservait sa forme classique, la vitesse de sécurité pourrait être main- tenue à des niveaux plus élevés, ce qui permettrait un entraînement de sécurité à plus grande vitesse. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Dispositif d'étanchéité pour machine à fluide rotative comportant des paliers placés dans les parties d'extrémité opposées d'une chambre d'arbre et supportant un arbre, dispositif d'étanchéité caractérisé en ce qu'il comprend un joint d'étanchéité à fluide (9) constitué par un fluide pré- sentant une pression plus élevée que celle de la cham- bre d'arbre (1), ce joint d'étanchéité à fluide étant formé dans une partie de la chambre d'arbre (2) tra- versée par l'arbre (1); des paliers de type à pres- sion dynamique classique (6, 7) disposés au milieu du dispositif d'étanchéité à fluide lui-même, ou au voisinage du milieu de celui-ci, ces paliers étant. en outre logés dans un carter (8) du dispositif d'étanchéité; et des éléments d'étanchéité destinés à délimiter partiellement un espace formé entre le carter et les paliers dans la direction axiale et dans la direction périphérique, de manière à former une boucle fermée; grâce à quoi les paliers sont poussés vers le bas par la différence de pression en- tre la pression du fluide d'alimentation et une pres- sion extérieure à la chambre d'arbre, de manière à pouvoir augmenter le nombre de pivots cinétiques de l'arbre en augmentant ainsi la vitesse de sécurité de cet arbre. 2 ) Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'étanchéité sont constitués par des joints toriques extensibles. -