Brevet FR2590641A1 — publié le 19870529

La présente invention concerne les dispositifs d'étan- chéité disposés entre un arbre coulissant et le fourreau dans lequel il coulisse, afin de séparer de façon étanche deux chambres, par exemple des chambres annulaires du fourreau alimentées en fluide à des pressions diffé- rentes. L'invention concerne plus précisément un dispositif composite d'étanchéité disposé entre un arbre et un fourreau, l'arbre coulissant sous une faible pression de commande dans le fourreau et délimitant avec le fourreau deux zones remplies de fluides à des pressions diffé- rentes, le dispositif d'étanchéité étant disposé dans une gorge réalisée dans l'un des deux éléments constitués par le fourreau et l'arbre et comprenant au plus deux organes, dont l'un est un organe de serrage coopérant avec le fond de gorge et la face radiale de la gorge située du côté haute pression tandis que l'autre organe est un organe d'étanchéité apte à être plaqué par l'organe de serrage contre la surface cylindrique de l'élément ne comportant pas la gorge et contre la face radiale de la gorge située du côté basse pression du dispositif. Les dispositifs d'étanchéité courants ont souvent l'incon- vénient de réaliser l'étanchéité entre l'arbre et le fourreau par frottement radial de l'élément d'étanchéité contre l'une des deux pièces et si ce type d'étanchéité est tolérable pour un arbre en rotation dans son fourreau, il l'est beaucoup moins pour un arbre coulissant. Dans ce deuxième cas, il est intéressant de pouvoir réaliser l'étanchéité par pression de l'élément d'étanchéité contre une face radiale de la gorge qui contient cet élément. Ainsi, le brevet FR 1 113 528 prévoit un joint d'étan- chéité torique disposé dans une gorge d'un arbre et poussé contre le fourreau entourant l'arbre par un second joint torique de serrage, les deux joints étant séparés par une grille métallique autorisant le passage de fluide dans la gorge afin que la haute pression du fluide contribue à plaquer le joint d'étanchéité contre la paroi du four- reau. Un tel dispositif présente plusieurs inconvénients. D'une part, le joint d'étanchéité étant torique, risque de rouler sur lui-même lors des déplacements de translation de l'arbre et en raison des pressions importantes dans la gorge, risque de se détériorer d'autant plus rapidement que la grille métallique interposée entre les deux joints viendra s'imprimer en relief dans le joint, lors des rotations de celui-ci sur lui-même. En outre, ce dispo- sitif présente pour inconvénient de réaliser sur la surface cylindrique du fourreau un frottement propor- tionnel à la pression de la chambre haute pression. Ce dispositif est difficilement utilisable pour des arbres de faible diamètre, notamment pour des arbres coulissants et surtout si la pression de commande du déplacement en translation de l'arbre doit être faible par rapport aux pressions dans les chambres que sépare le dispositif d'étanchéité et encore moins lorsque la pression dans une des chambres est très fortement supérieure à la pression régnant dans l'autre chambre. Le brevet FR 1 509 034 prévoit un dispositif ne comportant pas de joint torique mais deux segments, l'un d'étan- chéité, l'autre de coincement dans une gorge de l'arbre, les segments comportant des surfaces tronconiques inver- sées coopérant entre elles et avec un ressort interne qui -3 2590641 plaque le segment de coincement contre le segment d'étan- chéité, l'effet de coin ainsi réalisé assurant une pres- sion radiale du segment d'étanchéité sur le cylindre entourant l'arbre, et une pression axiale contre la paroi latérale de la gorge. Un tel dispositif est déjà préférable au précédent car il présente une composante axiale de la force de frottement assurant l'étanchéité, mais il a pour inconvénient de nécessiter, comme le précédent, un troisième élément en plus du segment d'étanchéité et du segment de coincement afin d'assurer une pression de l'élément de coincement sur l'élément d'étanchéité. Ce dispositif en trois parties est donc difficilement utilisable pour des arbres de faible diamètre. L'invention a donc pour but de réaliser un dispositif d'étanchéité pour un arbre coulissant en translation dans un fourreau sous une pression de commande très faible et très inférieure à la haute pression existant dans l'une au moins des chambres annulaires entourant l'arbre. Dans cette optique, l'invention doit permettre de réaliser une étanchéité correcte avec un faible débit de fuite inférieur à 10 litres par heure pour une haute pression de l'ordre de 80 bars, alors que la pression de commande de la translation de l'arbre est de l'ordre de 2,5 bars. Pour ce faire, le dispositif selon l'invention doit assurer un frottement sur l'arbre qui ne dépasse pas une force de 1 à 5 daN pour une pression de 80 bars. Enfin, l'invention se propose de limiter le nombre des pièces du dispositif d'étanchéité à deux, afin d'en rendre l'utilisation et la fabrication possible pour des 4 2590641 diamètres d'arbre n'excédant pas 30 millimètres, et pour une profondeur et une largeur de gorge ne dépassant pas respectivement 5,5 et 6 mm. On parvient à ces buts en réalisant le dispositif composite d'étanchéité selon l'invention de telle sorte que l'organe annulaire d'étanchéité comporte une première face d'étanchéité coopérant avec la face radiale de la gorge située du côté basse pression, une seconde face d'appui contre la surface cylindrique de l'élément, arbre ou fourreau, qui ne comporte pas de gorge et au moins une troisième face située sensiblement perpendiculairement à la bissectrice de l'angle fomé par les première-et deuxième faces, la troisième face coopérant avec l'organe de serrage pour que ledit organe de serrage exerce sur l'organe d'étanchéité une force sensiblement dirigée dans la direction de ladite bissectrice. En outre, l'organe d'étanchéité comporte au moins un ouverture permettant au fluide à haute pression de se répartir dans la gorge également de chaque côté de l'organe de serrage. Selon une caractéristique de l'invention, la face d'appui de l'organe d'étanchéité sur la surface cylindrique de l'élément ne portant pas la gorge, comprend au moins un dégagement annulaire formant une chambre entre ladite face et ladite surface cylindrique, et, la chambre est reliée à la haute pression pour diminuer le frottement radial entre arbre et fourreau. Dans un mode de réalisation, la face radiale de la gorge du côté haute pression est orthogonale à l'axe de l'arbre tandis que la face radiale de la gorge du côté basse pression est inclinée vers la basse pression d'un angle compris entre 150 et 30 par rapport à la normale à l'axe de l'arbre. 2590641 Selon une première variante d'exécution, l'organe d'étanchéité est constitue par un segment annulaire en polytétrafluoréthylène de section droite trapézoïdale dont la grande base constitue la génératrice de la face d'appui, l'un des côtés formant la première face d'étan- chéité et le deuxième côté formant la troisième face coopérant avec l'organe de serrage et il comporte au moins un dégagement annulaire sur sa deuxième face et au moins une empreinte creuse sur sa troisième face pour le passage du fluide dans la gorge. Selon d'autres variantes d'exécution, l'organe d'étan- chéité est un segment annulaire dont la section droite possède une symétrie par rapport à la bissectrice de l'angle formé par les première et deuxième faces, et il est constitué par une nervure annulaire portant les première et deuxième face et une lèvre formant la troi- sième face, la nervure et la lèvre comportant des canaux permettant au fluide de haute pression de se répartir dans la gorge de chaque côté de l'organe de serrage. D'autres caractéristiques de l'invention seront expli- citées en regard des planches annexées parmi lesquelles: - la figure 1 montre un exemple d'utilisation des joints selon l'invention à un doseur de carburant de régulation de turbomachine; - la figure 2 montre en section droite le dispositif selon l'invention dans un premier mode de réali- sation et les figures 2a et 2b en montrent des variantes d'exécution; - la figure 3 montre le même mode de réalisation o l'organe d'étanchéité est fendu en baïonnette, en 6 2590641 perspective partielle; - la figure 4 montre en section droite une variante de réalisation appliquée à une gorge à parois radiales parallèles; - la figure 5 montre, vu du côté haute pression l'organe d'étanchéité de la figure 4; - la figure 6 est une vue partielle de dessus de la figure 5, au niveau de la fente en baïonnette; - les figures 7 à 11 montrent d'autres variantes d'exécution correspondant au mode de réalisation dans lequel l'organe d'étanchéité est symétrique par rapport à la bissectrice de l'angle formé par la face d'appui et la face d'étanchéité: - la figure 12 prévoit le cas particulier o la haute pression change de direction par rapport au dispo- sitif d'étanchéité. En se reportant à la figure 1, on a représenté un doseur de carburant de turbomachine dans lequel le tiroir 1 du doseur est amené à se déplacer en translation dans un fourreau 2, sous l'action différentielle de fluides de commande à des pressions variant de 2,5 à 15 bars dans deux chambres d'extrémité 3 et 4 de sorte que la pression de commande réelle de la translation du tiroir est de l'ordre de 2,5 bars. Le doseur est alimenté par une pompe en fluide à haute pression, celle-ci variant dans la chambre annulaire 5 entre 15 et 55 bars. Le débit de carburant fourni par le doseur est obtenu en sortie d'une chambre 6 à la pression P2 variant de 2,5 à bars par la coopération d'un étranglement 7 du fourreau et d'une surface tronconique 8 du tiroir, le fluide étant dosé par cet étranglement depuis une chambre 9 à la pression P1 variant dans la même plage, en fonction de la valeur de la perte de charge P2-P1 mesurée par un détecteur de perte de charge non représenté. La chambre annulaire 10 quant à elle, est à une faible pression de l'ordre de 2,5 bars. On voit donc que les différences de pression entre les chambres 5 et 10 ou 6 et 4 ou encore 5 et 3 peuvent avoisiner 50 bars, les joints d'étanchéité respectivement 11, 12, 13 placés entre le fourreau et le tiroir pour séparer de façon étanche les différentes chambres pré- citées devant permettre une étanchéité correcte, c'est-a- dire tolérer un débit de fuite qui ne soit pas supérieur à 10 litres par heure tout en n'exerçant pas un effort radial important sur le tiroir afin de ne pas gêner la translation de celui-ci sous sa faible pression de commande. Les figures 2 et 3 montrent un premier mode de réalisation de l'invention. Dans une gorge annulaire 14 du fourreau 2, comportant une face radiale 15 orthogonale à l'axe du tiroir du côté haute haute pression et une face 16 incli- née d'un angle P compris entre 15 et 30 par rapport à la normale à l'axe du tiroir du côté basse pression, est monté un dispositif composite en deux parties comprenant un organe d'étanchéité formé par un segment annulaire 17 en polytètrafluoréthylène (PTFE) également connu sous le nom commercial de "Téflon" et un organe de serrage annu- laire constitué par un joint torique 18 comprimé entre le segment d'étanchéité d'une part et la face 15 et le fond 19 de la gorge d'autre part. Le segment d'étanchéité a dans sa section droite une forme trapézoïdale, une première face 20 coopérant avec la face 16 inclinée de la gorge pour assurer l'étanchéité du côté basse pression de la gorge, tandis que la grande base du trapèze constituant la génératrice de la deuxième face 21 forme la surface circulaire de contact avec le tiroir 1 et que la troisième face 22 coopère avec le joint torique 18 pour assurer le coincement du segment contre la face 16 de la gorge. Afin de diminuer l'effort radial exercé par le segment 17 sur le tiroir, on réalise le segment-17 de telle sorte que la face 22 soit sensiblement perpendi- culaire à la bissectrice de l'angle formé par les faces 20 et 21 afin que l'effort exercé par le joint torique sur le segment comporte une composante axiale plus importante que sa composante radiale. Afin de ne pas perturber cet équilibre de forces choisi, par le fluide à haute pression qui s'introduit dans la gorge, le segment d'étanchéité comporte des ouvertures 23 et 24 sous forme de découpes pratiquées dans les faces 20 et 22 afin de laisser des passages entre le segment d'étanchéité et le joint torique 18 pour que le fluide haute pression se répartisse dans la gorge et exerce des efforts symétriques, de résultante nulle, sur le joint torique. En outre, si on veut privilégier la composante axiale de l'effort exercé par le joint torique sur le segment 17, il suffira de réaliser celui-ci de telle sorte que la face 22 ne soit plus exactement perpendiculaire à la bissectrice de l'angle formé par les faces 20 et 21. De plus, on peut concentrer l'effort axial d'étanchéité sur l'angle des faces 20 et 21 en réalisant une légère dépouille ce de 1 à 3e par rapport à la conicité de la face 16 de la gorge. a 9 2590641 Afin de diminuer l'effort radial du segment sur le tiroir, le segment 17 comporte sur sa face 21 de contact au moins un dégagement annulaire 25 formant une chambre annulaire entre le tiroir et le segment, chambre dans laquelle s'infiltre le film de fluide sous pression, ce qui permet d'éviter les risques de collage du segment sur le tiroir et réalise en combinaison avec l'inclinaison de la face 16 de la gorge un effet de coin supplémentaire augmentant le contact d'étanchéité du segment sur la gorge. Dans les variantes d'exécution des figures 2a et 2b, la chambre annulaire 25 a été élargie et reliée par des canaux 230 à la partie supérieure du segment de façon à ce que le fluide haute pression remplisse plus aisément la chambre 25 afin de diminuer encore l'effort radial sur le tiroir. Dans le mode de réalisation ici représenté, le segment est un segment fendu dont les deux extrémités se recouvrent en forme de baïonnette radiale dont la partie amincie interne 26 comporte une découpe centrale 27 coopérant avec un ergot 28 disposé sous la partie amincie externe 29 de l'autre extrémité du joint, réalisant ainsi, dans la partie interne de la baïonnette radiale, une double balonnette axiale. Un tel segment a pour avantage d'être parfaitement symé- trique et d'éviter une opération de détrompage lors de son montage. En outre, par l'élasticité que lui donne sa coupe en baïonnette, il peut être réalisé en un matériau quelque peu rigide tel que le PTFE tout en gardant un appui convenable de toute sa circonférence sur la pièce voisine, a la seule condition d'avoir convenablement déterminé la longueur développée du joint coupé pour qu'il y ait un très léger écartement entre les deux extrémités quand il est en place. Aux figures 4 à 6 est représentée une variante du segment d'étanchéité applicable à une gorge dont les deux faces radiales sont orthogonales à l'axe du tiroir. Dans cette variante, le segment d'étanchéité n'est plus symétrique et la face 22a coopérant avec le joint torique de coincement présente une concavité coopérant avec le joint torique 18 de telle sorte que la résultante des forces d es au joint passe par la bissectrice de l'angle formé par les faces a et 21a, ce qui permet, de même que dans la variante précédente, de réaliser l'étanchéité sur la face 20a du segment. Un tel segment pourrait également être conformé avec une face 20a conique pour s'adapter à une gorge demi- conique telle que celle représentée à la figure 2. De même que précédemment, des ouvertures 23 usinées dans la face concave 22a du segment permettent l'équilibre de la haute pression de part et d'autre du joint torique 18 de coincement. Les figures 5 et 6 montrent que le segment de cette variante est également fendu avec un raccordement à deux baïonnettes simples, l'une radiale 30, 31 et l'autre axiale 32, 33. Les figures 7 à 9 montrent des modes de réalisation du segment dans lesquels une nervure annulaire 34 porte la première face d'étanchéité 340 coopérant avec la face radiale 16 de la gorge du côté basse pression et la seconde face d'appui 341 tandis qu'une lèvre 35 sensible- ment orthogonale (en section droite) à la nervure cons- titue la troisième face qui coopère avec le joint torique 18. il 2590641 Des canaux 231 et 232 permettent au fluide de se répartir autour des faces du segment d'étanchéité et dans la chambre 250 annulaire afin de limiter le contact d'étan- chéité à la seule surface 340 et la surface d'appui sur le tiroir à la seule surface 341. La figure 10 prévoit de réaliser le segment d'étanchéité en une seule lèvre ondulée en forme de "v" à branches courbées, la base du "V" formant d'une part l'étanchéité avec la face aval 16 de la gorge et d'autre part l'appui sur le tiroir, et les branches du "V" assurant le contact de coincement avec le joint torique 18. La figure 11, quant à elle, propose un segment d'étanché- ité à section triangulaire dont la face d'étanchéité 20b comporte une dépouille - la gorge. Les segments représentés aux figures 7 à 11 permettent de diminuer encore l'effort radial du dispositif d'étanchéité sur le tiroir. La figure 12 prévoit le cas o la haute pression est alternativement appliquée d'un côté puis de l'autre du dispositif composite d'étanchéité. L'étanchéité est alors réalisée par deux segments 17 à section trapézoïdale identiques à ceux des figures 2 ou 2a ou 2b disposés dans une gorge comportant deux parois coniques et séparés par un joint torique de coincement 18 coopérant avec les deux faces en regard des segments 17. Dans ce cas, l'étanchéité est assurée alternativement par un segment puis l'autre, du côté basse pression. 12 2590641 Les divers types de dispositifs composites d'étanchéité selon l'invention permettent de contenir de fortes pres- sions avec des diamètres de segments ne dépassant pas 30 millimètres. Il est bien évident que l'invention couvre également les dispositifs comprenant un organe d'étanchéité non fendu, s'il est réalisé en un matériau souple ou si la gorge qui le reçoit est réalisée en deux parties assemblées après montage du dispositif d'étanchéité. L'invention s'applique particulièrement bien aux régulations de carburant pour turbomachines. REVENDICATIONS 1. Dispositif composite d'étanchéité disposé entre un arbre et un fourreau, l'arbre coulissant sous une faible pression de commande dans le fourreau et délimitant avec le fourreau deux zones remplies de fluides à des pressions différentes, le dispositif d'étanchéité étant disposé dans une gorge réalisée dans l'un des deux éléments constitués par le fourreau et l'arbre et comprenant au plus deux organes dont l'un est un organe annulaire de serrage coopérant avec le fond de gorge et la face radiale de la gorge située du côté haute pression tandis que l'autre organe est un organe d'étanchéité apte a être plaqué par l'organe de serrage contre la surface cylindrique de l'élément ne comportant pas la gorge et contre la face radiale de la gorge située du côté basse pression, caractérisé en ce que l'organe d'étanchéité (17) comporte en section droite une première face (20, 20b, 340) d'étanchéité coopérant avec la face radiale (16) de la gorge située du côté basse pression, une seconde face (21) d'appui contre la surface cylindrique de l'élément (1 ou 2) ne comportant pas la gorge, et au moins une troisième face (22, 231) située sensiblement perpendiculairement à la bissectrice de l'angle formé par les première et deuxième faces, coopérant avec l'organe de serrage (18) pour que ledit organe de serrage exerce sur l'organe d'étanchéité (17) une force sensiblement dirigée dans la direction de ladite bissectrice et en ce que l'organe d'étanchéité comporte au moins une ouverture (23, 231, 232) permettant au fluide à haute pression de se répartir dans la gorge également de chaque côté de l'organe de serrage. 2. Dispositif composite d'étanchéité selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la face d'appui (21) de 14 2590641 l'organe d'étanchéité sur la surface cylindrique de l'élément ne portant pas la gorge, comprend au moins un dégagement annulaire (25, 250) formant une chambre entre ladite face et ladite surface cylindrique, ladite chambre étant reliée à la haute pression pour diminuer le frot- tement radial entre arbre et fourreau. 3. Dispositif composite d'étanchéité selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première face (20) d'étanchéité de l'organe d'étanchéité est inclinée d'un angle de dépouille ce, compris entre 1 et 3 degrés par rapport à la face radiale (16) de la gorge du côté basse pression. 4. Dispositif composite d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la face radiale (15) de la gorge du côté haute pression est orthogonale à l'axe de l'arbre et en ce que la face radiale (16) de la gorge du côté basse pression est inclinée d'un angle compris entre 150 et 300 par rapport à la normale à l'axe de l'arbre. 5. Dispositif composite d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe de serrage est constitué par un joint torique (18) comprimé entre le fond de la gorge et la troisième face de l'organe d'étanchéité. 6. Dispositif composite d'étanchéité selon l'une quel- conque, des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'organe d'étanchéité (17) est constitué par un segment annulaire de section droite trapézoïdale dont la grande base constitue la génératrice de la face d'appui (21), l'un des côtés formant la première face d'étanchéité (20) et le deuxième côté formant la troisième face (22) 2590641 coopérant avec l'organe de serrage (18), en ce qu'il comporte au moins un dégagement annulaire (25) sur sa deuxième face (21) et au moins une empreinte creuse (23) sur sa troisième face (22) pour le passage du fluide. 7. Dispositif composite d'étanchéité selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que la troisième face (22a) du segment annulaire est de forme concave. 8. Dispositif composite d'étanchéité selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le segment d'étanchéité (17) est un segment fendu à raccordement en forme de baïonnette axiale. 9. Dispositif composite d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le segment d'étanchéité (17) est un segment fendu à raccorde- ment en forme de batonnette radiale. 10. Dispositif composite d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe d'étanchéité (17) est un segment annulaire dont la section droite possède une symétrie par rapport à la bissectrice de l'angle formé par les première et deuxième faces, en ce qu'il est constitué par une nervure annulaire (34) portant les première et deuxième faces (340 et 341) et une lèvre (35) formant la troisième face, la nervure et la lèvre comportant des canaux (231, 232) permettant au fluide de haute pression de se répartir dans la gorge de chaque côté de l'organe de serrage.