Brevet FR2589971A1 — publié le 19870515

Dispositif d'étanchéité pour un arbre, notamment un arbre de pompe rotative. La présente invention concerne d'une façon gé- nérale les joints d'étanchéité d'arbre et elle a trait, spécifiquement, à un joint d'étanchéité hydrostatique avec insertion de film radialement conique qui est avan- tageux pour assurer l'étanchéité de l'arbre de la pompe à fluide de refroidissement utilisée dans une centrale nucléaire. Les joints d'étanchéité hydrostatiques avec insertion de film radialement conique sont connus dans la technique antérieure. Dans les pompes à fluide de refroidissement utilisées dans les systèmes de chauffage primaires des centrales nucléaires, de tels joints d'étanchéité permettent aux arbres des pompes de transmettre un couple à travers le corps de pompe sous pression avec une quantité minimale de frottement et de "fuite contrôlée" d'eau. Dans le passé, de tels joints d'étanchéité utilisaient une bague d'étanchéité non tournante et une bague d'étanchéité tournante qui étaient formées d'alumine et qui comprenaient des surfaces d'étanchéité inclinées suivant des angles spé- cifiques afin de former un film hydrostatique entre la surface d'étanchéité de la bague non tournante et la surface d'étanchéité de la bague tournante. Ce film hy- drostatique permet à la bague non tournante et à la bague tournante de fonctionner en mode "non frottant". Les centrales nucléaires qui comprennent la conception générale utilisée en premier par la Société Westinghouse Electric Corporation comporte des systèmes hydrauliques primaire et secondaire séparés. Le système primaire comprend une pompe à fluide de refroidissement destinée à faire circuler de l'eau à partir du coeur radio-actif très chaud du réacteur à travers un généra- teur de vapeur d'eau nucléaire dans lequel la chaleur est transférée au système secondaire. L'eau, à l'intérieur de la pompe à fluide de refroidissement, se trouve, de façon typique, à une tem- pérature d'environ 290 C et à une pression atteignant un niveau d'environ 160 bars. L'arbre de la pompe s'étend à travers le corps de la pompe et on prévoit des joints d'étanchéité d'arbre assurant un minimum de frottement et un minimum de fuite d'eau à travers le corps, ces joints d'étanchéité d'arbre étant du type décrit dans le brevet US n 3 347 552. Bien que les joints d'étanchéité précités de la technique antérieure fonctionnent de façon satisfai- sante dans des conditions normales, ils peuvent subir un endommagement sévère dans certaines circonstances criti- ques, lorsque les faces des joints d'étanchéité viennent en contact l'une avec l'autre, de telle sorte que les joints d'étanchéité commencent à fonctionner en mode "frottant". Si ceci se produit pendant plus de 30 secondes, le joint d'étanchéité est endommagé de façon irréparable. C'est pourquoi, l'objet principal de la pré- sente invention est de réaliser un joint d'étanchéité d'arbre qui est capable de fonctionner en mode "frottant" si la pression dans les pompes de liquide à refroidissement tombe et qui résiste à l'érosion si des particules étrangères pouvant être transportées par le courant du système primaire parviennent entre les surfaces d'étanchéité. Eu égard à cet objet, la présente invention réside dans un dispositif d'étanchéité pour un arbre s'étendant à travers une zone de limite de pression tout en transmettant une énergie mécanique à travers cette zone de limite de pression, ce dispositif comprenant une surface d'étanchéité associée à ladite zone de limite de pression et une surface d'étanchéité associée audit arbre et disposée en face de la surface d'étanchéité de ladite zone de limite de pression de manière à assurer entres elles la présence d'un écoulement de fuite formant un mince film, caractérisé en ce qu'au moins une desdites surfaces d'étanchéité est formée essentielle- ment de nitrure de silicium. De préférence, les deux surfaces d'étanchéité sont formées de nitrure de silicium comprimé à chaud qui est au moins pur à 98%. De plus, l'angle d'inclinaison radial entre les deux surfaces d'étanchéité a une valeur qui est choisie de préférence de manière que la vitesse résultante du film de fluide en circulation soit suffi- samment grande pour empêcher que les surfaces d'étanché- ité viennent en contact l'une avec l'autre, mais suffi- samment faible pour empêcher qu'un écoulement turbulent se produise au sein du film de fluide. Quand on utilise la présente invention en tant que joint d'étanchéité d'arbre dans une pompe à eau o l'eau est sous une pres- sion comprise entre 13,8 bars et 172,3 bars (200 et 2500 psi), les périphéries extérieures de la bague non tour- nante et de la bague tournante sont légèrement inclinées l'une par rapport à l'autre suivant un angle compris entre environ 590 et 690 microradians, tandis que les périphéries intérieures de ces pièces sont inclinées suivant un angle compris entre environ 170 et 270 micro- radians. Dans le mode de réalisation préféré, les péri- phéries extérieures de la bague non tournante et de la bague tournante sont inclinées l'une par rapport à l'autre suivant un angle d'environ 640 microradians, tandis que les périphéries intérieures sont inclinées suivant un angle d'environ 220 microradians. En outre, la totalité de l'inclinaison est de préférence située sur la surface d'étanchéité de la bague non tournante, tandis que la surface d'étanchéité de la bague tour- nante est plate. La présente invention permet d'obtenir un joint d'étanchéité d'arbre capable de fonctionner en mode "avec interposition de film" malgré les grandes va- riations de pression et de température du fluide ambiant sous pression formant le film. De plus, la dureté et la texture lisse de la surface du nitrure de silicium com- primé à chaud formant les surfaces d'étanchéité permet- tent d'obtenir un joint d'étanchéité d'arbre qui résiste à l'érosion et qui est capable de fonctionner en mode "sans interposition de film" pendant des périodes de temps importantes sans endommagement notable dans le cas o la source de fluide sous pression formant le film viendrait à cesser de fonctionner (comme ceci pourrait être le cas, par exemple, s'il se produisait une défail- lance de la pompe). L'invention apparaîtra plus facilement au cours de la description ci-après d'un mode de réalisa- tion préféré donné à titre purement illustratif et non limitatif en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective, avec arrachement, du corps d'une pompe à fluide de refroidis- sement, cette vue représentant les dispositifs d'étan- chéité primaire, secondaire et tertiaire qui entourent l'arbre de la pompe dans la région du corps de la pompe; la figure 2 est une vue en plan de la bague d'étanchéité non tournante du dispositif d'étanchéité primaire ainsi que de la bague de blocage qui sert à la monter dans le corps de la pompe; la figure 3 est une vue en coupe partielle par A-A de la figure 2; et la figure 4 est une vue en coupe agrandie de la bague d'étanchéité tournante du dispositif d'étanché- ité de l'invention. On va se référer maintenant à la figure 1. L'invention trouve une utilité particulière dans les pompes centrifuges 1 à fluide de refroidissement utili- sées pour faire circuler de l'eau à travers le coeur radio-actif d'une centrale nucléaire. De telles pompes 1 à fluide de refroidissement comprennent, d'une façon gé- nérale, un corps 3 de pompe qui se termine à une de ses extrémités par un palier 5. Un arbre 7 de pompe est monté de façon étanche et rotative dans le palier 5. Bien que cela ne soit pas représenté spécifiquement sur la figure 1, la partie inférieure de l'arbre 7 de la pompe est accouplée à une roue à aubes, tandis que la partie supérieure est accouplée à un moteur électrique de forte puissance et du type à induction. Quand le moteur entraîne en rotation l'arbre 7, la roue à aubes se trouvant dans le corps 9 augmente la pression de l'eau circulant à travers le corps de la pompe d'une valeur correspondant à la pression ambiante jusqu'à une valeur d'environ 158 bars. Cette eau sous pression ap- plique sur l'arbre 7 une charge hydrostatique dirigée vers le haut, car la partie supérieure du palier 5 est entourée par l'atmosphère ambiante. Pour que l'arbre 7 de la pompe puisse tourner librement à l'intérieur du palier 5 tout en maintenant la limite de pression de 158 bars entre l'intérieur du corps 9 et l'extérieur du palier 5, les dispositifs d'é- tanchéité primaire, secondaire et tertiaire 11, 13 et , respectivement, sont placés dans les positions il- lustrées. La majeure partie de l'étanchéité nécessaire vis-à-vis de la pression est assurée par le dispositif d'étanchéité primaire 11, qui met en pratique la pré- sente invention. Le dispositif d'étanchéité primaire 11 com- prend, d'une façon générale, une bague d'étanchéité 17 qui est montée de façon fixe, c'est-à-dire non tour- nante, dans le palier 5 à l'aide d'une bague de blocage 19, et une bague tournante 21 qui est montée sur une bride 25 de l'arbre 7 au moyen d'une autre bague de blo- cage 23. La surface inférieure de la bague d'étanchéité 17 et la surface supérieure de la bague tournante 21 forment des surfaces d'étanchéité 18 et 22 qui sont mobiles axialement l'une par rapport à l'autre et sont poussées l'une vers l'autre en raison de la charge qu'exerce la pression du fluide sur l'arbre 7 de la pompe. Toutefois, les surfaces d'étanchéité 18 et 22 ne frottent pas normalement l'une contre l'autre, étant donnée que la surface d'étanchéité 18 de la bague d'étanchéité 17 est légèrement inclinée par rapport à la surface d'étanchéité sensiblement plate et horizontale 22 de la bague tournante 21. Cette inclinaison assure la présence d'un film d'eau en circulation entre les sur- faces d'étanchéité 18 et 22 de la bague d'étanchéité 17 et de la bague tournante 21, ce qui, à son tour, permet à la bague d'étanchéité 17 et à la bague tournante 21 de tourner l'une par rapport à l'autre dans un mode "avec interposition de film". De plus, la bague d'étanchéité 17 et la bague tournante 21 sont formées de nitrure de silicium pur à 98% et comprimé à chaud afin que le dis- positif d'étanchéité primaire 11 puisse fonctionner en un mode "sans interposition de film" au cas o la pompe 1 à fluide de refroidissement cesserait de fournir une eau sous une pression suffisante pour crier ledit film d'eau en circulation entre les surfaces d'étanchéité 18 et 22. L'utilisation de nitrure de silicium comprimé à chaud permet en combinaison avec les angles d'inclinai- son spécifiques que l'on va décrire ci-après, d'obtenir un joint d'étanchéité d'arbre qui est non seulement capable de fonctionner en un mode "sans interposition de film" (dans le cas d'un mauvais fonctionnement ou de tout autre situation critique de la pompe 1 à fluide de refroidissement) mais constitue également un joint d'étanchéité d'arbre qui est extrêmement durable et résitant à une grande diversité d'effets mécaniques nui- sibles (par exemple à la suite d'un "choc thermique"). Le palier 5 comprend une lumière 27 de fluide primaire. Les lumières 29 et 31 de fuite contrôlée per- mettent à l'eau de s'échapper des dispositifs d'étanché- ité secondaire et tertiaire 13 et 15, respectivement. Toutefois, ces lumières de fuite ne faisant pas partie de l'invention, aucune autre description n'en sera don- nee. En se référant maintenant aux figures 2 et 3, on voit que la bague de blocage 19 qui maintient la bague d'étanchéité 17 dans le palier 5 de la pompe 1 à fluide de refroidissement, comprend, d'une façon généra- le, un élément de base ou d'appui 35 et une bague de re- tenue 37. Dans le mode de réalisation préféré, l'élément de base 35 et la bague de retenue 37 sont formés d'une matière qui résiste à la corrosion, comme par exemple l'acier inoxydable n 410. La bague de retenue 37 main- tient la surface inférieure plate 66 de la bague d'étan- chéité 17 contre sa surface supérieure plate 36 grace à un épaulement annulaire 39 qui peut être regu dans un évidement annulaire 41 s'étendant sur toute la périphé- rie de la bague d'étanchéité 17, comme on peut le voir. La bague de retenue 37 est fixée sur l'élément de base au moyen de quatre vis en acier inoxydable 43a-43d qui sont de préférence équidistantes afin d'équilibrer la force de compression que la bague de retenue 37 applique sur toute la périphérie de la bague d'étanché- ité 17. Pour empêcher la surface inférieure plate de la bague d'étanchéité 17 de glisser contre la surface supé- rieure plate de l'élément de base 35, on a utilisé une pluralité de chevilles équidistantes 45 qui s'étendent sur une courte distance au-dessus de la surface supéri- eure de l'élément de base 35. Les parties supérieures de ces chevilles 45 peuvent être mises en regard d'une plu- ralité de trous cylindriques peu profonds 47 présents sur la face inférieure de la bague d'étanchéité 17 et être reçues dans ces trous. La présence de ces chevilles et des trous 47 est importante, étant donné que des forces de cisaillement considérables pourraient être ap- pliquées entre la surface inférieure 66 de la bague d'é- tanchéité 17 et la surface supérieure 36 de l'élément de base 35 si le dispositif d'étanchéité 11 venait à fonc- tionner en mode "frottant". Pour empêcher que l'eau d'injection entourant le dispositif d'étanchéité 11 s'écoule entre la surface supérieure 36 de l'élément de base 35 et la surface in- férieure 66 de la bague d'étanchéité 17, on dispose un joint torique 48 autour de la surface supérieure 36 de l'élément de base 35. Ce joint torique 48 est logé dans une gorge circulaire 50 qui entoure la surface supé- rieure 36 de l'élément de base 35, comme représenté. Pour qu'à coup sûr l'eau d'injection ne s'écoule pas entre la surface latérale intérieure de la bague de retenue 37 et la surface latérale extérieure de l'élé- ment de base 35, on a recours en outre à deux joints toriques 49a et 49b dont chacun est logé dans une gorge circonférentielle 51a et 51b, comme représenté. Enfin, un joint torique 53 est disposé dans une gorge circu- laire 55 qui est formée dans la surface latérale inté- rieure de l'élément de base 35. Le joint torique 53 per- met à la surface latérale intérieure de l'élément de base 35 de se déplacer verticalement sur le manchon cylindrique 57 mentionné précédemment (voir figure 1) qui fait partie du palier 5 de la pompe 1 à fluide de refroidissement. En se référant maintenant à la figure 4, on voit que la forme de section droite de la bague d'étan- chéité 17 est d'une façon générale rectangulaire, sauf en ce qui concerne la forme tronconique de la surface supérieure et de l'évidement annulaire 41 qui reçoit l'épaulement annulaire que l'on a décrit précédemment et que comporte la bague de retenue 37. Comme mentionné ci- -dessus, la bague d'étanchéité 17 et la bague tournante 21 sont formées toutes deux par du nitrure de silicium pur à 98% et comprimé à chaud, nitrure que l'on peut se procurer auprès de la Société Norton Company of Worcester, Massachusetts. La surface supérieure 18 de la bague d'étan- chéité 17 comprend une périphérie extérieure 62 et une périphérie intérieure 64. La périphérie extérieure 62 est inclinée radialement par rapport à l'horizontale d'un angle 0 qui, dans le mode de réalisation préféré, est de 640 microradians (à partir de l'origine "0" comme on peut le voir sur la figure 4). Bien que la périphérie intérieure 64 soit de même inclinée radialement par rap- port à l'horizontale d'un angle ci, cet angle est de préférence plus faible que l'angle 0. Dans le mode de réalisation préféré, microradians, respectivement, les valeurs préférées men- tionnées ci-dessus permettent d'obtenir un joint d'étan- chéité d'arbre qui fonctionne avec succès en mode "avec interposition de film" avec une quantité relativement constante et faible de "fuite contrôlée" malgré les va- riations notables du type et de la pression de l'eau d'injection qui s'écoule à travers l'espace conique compris entre les surfaces d'étanchéité 18 et 22 de la bague d'étanchéité 17 et de la bague tournante 21, res- pectivement. La structure de la bague tournante 21 est exactement la même que celle de la bague d'étanchéité 17, la seule exception étant que la surface d'étanchéité supérieure 22 de la bague tournante 21 est parfaitement plate et non pas inclinée. De plus, la structure de la bague de blocage 23 de la bague tournante 21 est sensi- blement la même que celle de la bague de blocage 19 que l'on a mentionnée précédemment et que comporte la bague d'étanchéité 17, la seule différence importante étant que la surface inférieure de l'élément de base de la bague de blocage 23 comprend une pluralité de trous des- tinés à recevoir des chevilles qui sont montées sur la surface supérieure du collet 25 de l'arbre 7 (voir figure 1). La présence de ces trous dans la surface in- férieure de la bague de blocage 23 et de ces chevilles dans la surface supérieure du collet 25 de l'arbre garantit que la bague de blocage 23 ne tournera pas contre le collet 25 de l'arbre sous l'action des forces de cisaillement en cas o le dispositif d'étanchéité 11 viendrait à fonctionner en mode "frottant". L'utilisation de nitrure de silicium comprimé à chaud qui est pur à 98% à la fois dans la bague d'é- tanchéité 17 et dans la bague tournante 21, en combi- naison avec les angles d'inclinaison précités e et " de 640 microradians et de 220 microradians, respectivement, permet d'obtenir un joint d'étanchéité 11 d'arbre qui est supérieur en ce qui concerne un certain nombre d'as- pects au joint d'étanchéité d'arbre de la technique an- térieure comportant des bagues d'étanchéité et des bagues tournantes en alumine. En premier lieu, comme indiqué précédemment, la vitesse du film de fluide et la quantité de "fuite contrôlée" de l'eau d'injection restent toutes deux à une valeur d'une très grande constance malgré les fluc- tuations importantes qui peuvent apparaître dans la pression de l'eau à l'intérieur du corps 9 de la pompe (c'est-à-dire 21-28 m/seconde et 11 1/minute repective- ment). Ceci, à son tour, se traduit par unlm film hydro- statique présentant la "rigidité" appropriée malgré les variations notables de la pression de l'eau à l'inté- rieur du corps 9 de la pompe. En second lieu, les surfaces d'étanchéité 18 et 22 de la bague d'étanchéité 17 et de la bague tour- nante 21 présentent des résistances au frottement extrê- mement bonnes qui leur permettent de fonctionner en mode "sans interposition de film" ou mode "frottant" pendant des périodes de temps relativement longues sans endomma- gement. De façon spécifique, les joints d'étanchéité fa- briqués selon la présente invention peuvent fonctionner en mode "frottant" pendant une période aussi longue que minutes sans endommagement notable; par contre, un dispositif d'étanchéité formé d'alumine est endommagé de façon irréparable s'il fonctionne pendant plus de 30 se- condes en mode "frottant". En troisième lieu, un dispositif d'étanchéité utilisant du nitrure de silicium comprimé à chaud pré- sente une résistance à l'érosion bien meilleure qu'un dispositif d'étanchéité comparable formé d'alumine. Ceci est important, étant donné que dans le cas d'un mauvais fonctionnement des pompes d'injection que comporte la pompe I à fluide de refroidissement, l'eau provenant du système primaire peut pénétrer dans l'espace conique entre la bague d'étanchéité 17 et la bague tournante 21, ce qui, à son tour, exposerait les surfaces d'étanchéité 18 et 22 de ces pièces aux particules abrasives de corps étrangers (telles que l'oxyde de fer). Si ce mauvais fonctionnement venait à se produire, la bague d'étanché- ité 17 et la bague tournante 21 en nitrure de silicium seraient beaucoup moins endommagées que les bagues simi- laires formées d'alumine. En quatrième lieu, un dispositif d'étanchéité réalisé selon la présente invention aurait une résis- tance à la fracture (c'est-à-dire une valeur de compres- sibilité) bien supérieure à celle d'un dispositif d'é- tanchéité qui utiliserait des bagues d'étanchéité et des bagues tournantes formées d'alumine. Ceci représente une importance supplémentaire, étant donné que ces bagues d'étanchéité et ces bagues tournantes peuvent être sou- mises à des charges de compression atteignant 41 000 kg. Enfin, le dispositif d'étanchéité de la pré- sente invention présente des propriétés de résistance au choc thermique notablement supérieures à celles du dis- positif d'étanchéité-similaire formé d'alumine. Dans le cas o les pompes d'injection auraient une défaillance et o l'eau notablement plus chaude en provenance du système primaire pénétrerait dans l'espace conique entre la bague d'étanchéité 17 et la bague tournante 21, les bagues d'étanchéité et les bagues tournantes formées selon la présente invention, seraient capables de fonctionner sans se rompre ou sans disparition d'un film de "stabilité" suffisante, ce qui se produirait avec des bagues d'étanchéité et des bagues tournantes formées d'autres matières. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité pour un arbre s'étendant à travers une zone de limite de pression pour transmettre une énergie mécanique à travers ladite zone de limite de pression et comprenant une surface d'étan- chéité associée à ladite zone de limite de pression et une surface d'étanchéité associée audit arbre et dispo- sée en face de la surface d'étanchéité de ladite zone de limite de pression, de manière à former entre ces sur- faces un trajet d'écoulement de fuite donnant naissance à ce film, caractérisé en ce qu'au moins une desdites surfaces d'étanchéité (18,22) est formée essentiellement de nitrure de silicium. 2. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que lesdites surfaces d'étan- chéité sont formées d'une première (17) et d'une seconde (21) pièces d'étanchéité situées en face l'une de l'autre et pouvant se déplacer l'une par rapport à l'autre, une de ces pièces étant une bague tournante d'étanchéité (21) disposée sur ledit arbre et l'autre étant une bague d'étanchéité (17) disposée de façon axialement mobile dans le palier entourant ledit arbre. 3. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que lesdits éléments suppor- tant les pièces d'étanchéité sont formées de nitrure de silicium comprimé à chaud et sur lesquels sont formées lesdites surfaces d'étanchéité (18,22). 4. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites surfaces d'étanchéité (18,22) sont formées de nitrure de silicium pur à 98% et comprimé à chaud. 5. Dispositif d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les surfaces d'étanchéité sont inclinées radialement et que l'angle d'inclinaison radial entre lesdites surfaces d'étanchéité (18922) est choisi de manière que la vites- se résultante du film de fluide engendré entre ces sur- faces soit suffisamment grande pour empêcher les sur- faces d'étanchéit_ (18,22) de venir en contact l'une avec l'autre, mais suffisamment faible pour empêcher qu'un écoulement turbulent se produise dans le film de fluide. 6. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que lesdites pièces d'étanché- ité sont poussées l'une vers l'autre par une force de compression suffisante pour déformer Plastiquement ladi- te bague d'étanchéité (17) et ladite bague d'étanchéité tournante (21) et que ledit angle d'inclinaison radiale entre lesdites surfaces d'étanchéité (18,22) a une valeur qui est choisie de manière que l'angle résultant après déformation permette la formation du film de fluide en circulation approprié entre les surfaces d'étanchéité (18,22). 7. Dispositif d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les périphéries extérieure et intérieure (62,64) de la bague d'étanchéité (17) et de la bague tournante (21) sont inclinées suivant des angles sensiblement diffé- rents (Co, &) l'une par rapport à l'autre. 8. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que les périphéries extéri- eures (62) de la bague d'étanchéité (17) et de la bague tournante (21) sont inclinées d'un angle compris entre 590 et 690 microradians et que les périphéries intéri- eures (64) de la bague d'étanchêité (17) et de la bague tournante (21) sont inclinées d'un angle compris entre et 270 microradians.