Brevet FR2617940A1 — publié le 19890113

Presse-garniture pour l'étanchéité de la traversée sur arbres à grande amplitude de flexion. La présente invention se rapporte à un presse- garniture pour l'étanchéité du passage d'un arbre affec- té de flexions de grande amplitude à travers une tubulu- re, qui comprend un bottier, une garniture munie de ba- gues d'étanchéité et un compensateur tubulaire élasti- que. Le passage étanche des gros arbres tournants' à travers une tubulure d'une machine est relativement dif- ficile à réaliser dans diverses machines utilisées dans l'industrie chimique telles que, par exemple, les auto- claves, malaxeurs, centrifugeuses, parce que, dans ces machines, la flexion radiale de l'arbre est très grande, et que, sous cet effet, les éléments d'étanchéité utili- sés dans les presse-garnitures classiques se brisent ou se déplacent en un temps très court sous l'effet des chocs radiaux. Le résultat est que le récipient fuit au point de traversée de l'arbre et que la matière contenue dans le récipient peut s'écouler, en entraînant, d'une part, une perte de matière et, d'autre part, une pollu- tion de l'environnement. Cette panne est donc dangereuse à tous égards et doit donc être éliminée. Dans les presse-garnitures qui sont capables d'absorber plusieurs mm de flexion radiale, un compensa- teur tubulaire élastique est intercalé entre la tubulure du récipient et le bottier du presse-garniture. Grâce à sa flexibilité, ce compensateur tubulaire élastique ac- compagne les flexions de l'arbre, en protégeant ainsi les éléments d'étanchéité des contraintes dangereuses. Selon le brevet anglais n 2 208 407, le presse-garniture est fixé à la paroi du récipient ou à la tubulure au moyen d'une bride, et à l'aide de vis. Les deux extrémités du pres- se-garniture peuvent fléchir légèrement par rapport à la paroi du récipient et par rapport à la bride respec- tivement. Des rouleaux qui roulent sur l'arbre et qui sont retenus dans des ferrures de retenue des rouleaux fixées elles-mêmes à la bride servent à centrer le pres- se-garniture sur l'arbre. Ce presse-garniture a été réa- lisé pour des tours de diffusion du sucre, o un arbre de grand diamètre passe à travers le fond de la machine et o il est donc nécessaire d'équilibrer le couple et les composantes résultant du poids du presse-garniture. L'utilisation de rouleaux et de ferrures de retenue des rouleaux qui doivent être réglés séparément et simultanément complique la solution décrite ci-des- sus. Une autre source d'erreur consiste en ce que le com- pensateur tubulaire élastique et les vis qui fixent le presse-garniture sont fixés au récipient. La mise en olace précise d'environ 10 à 12 vis tout autour de la surface de portée du presse-garniture exige un travail extrêmement précis et la moindre imprécision peut se traduire par un défaut de coaxialité. En raison des difficultés ci-dessus, le pressegarniture ne peut être utilisé que s'il a été conçu en même temps que l'appa- reil. Il n'est pas possible de le monter après coup sur un appareil déjà existant, en remplacement d'un presse- garniture classique. Le but de la présente invention est de réaliser un presse-garniture équipé d'un compensateur tubulaire élastique destiné à assurer l'étanchéité de la traversée d'un arbre passant à travers la paroi ou une tubulure d'un appareil qui doit être fermé à joint étanche, com- pensateur qui permet de centrer le presse-garniture sur l'arbre d'une façon simple et peu coateuse, et il est applicable à tous les types d'appareils, même s'il est monté après coup, en remplacement d'un pressegarniture monté d'origine et qui est d'un type différent. Selon l'invention, une extrémité du comoensa- teur est fixée à la tubulure par une liaison rigide et démontable, et l'autre extrémité est fixée au bottier du presse-garniture, et une ou plusieurs bague(s) de guidaqe *est ou sont agencée(s) dans le bottier pour centrer le presse-garniture sur l'arbre. La bague de guidage est de préférence interposée entre les bagues d'étanchéité et le chapeau du bottier et elle est faite d'une matière possédant un faible coefficient de frottement, avantageu- sement d'une matière pour coussinets, puisqu'en réalité, elle se comDorte comme un coussinet de palier lisse. Des brides sont de préférence montées sur les deux extrémitées du compensateur tubulaire élastique, l'une des brides étant fixée à la tubulure et l'autre au presse-garniture, par des liaisons rigides et démonta- bles, avantageusement par des assemblages à vis et les deux brides étant reliées l'une à l'autre d'une façon qui admet un léger déplacement flexible dans les direc- tions radiales et axiales. Cet assemblage flexible qui admet un déplacement axial peut être réalisé par le fait que les deux brides du compensateur sont reliées l'une à l'autre au moyen de vis qui passent à travers les trous des brides, et sur les extrémités desquelles est monté un arrêtoir fixe, par exemple, un écrou, et ces vis sont enfilées dans des ressorts hélicoïdaux serrés entre les brides. Dans une forme de réalisation de l'invention qui est spécialement bien appropriée pour constituerun joint étanche sur un arbre qui traverse une tubulure d'un récipient étanche à la pression, un ressort tubulai- re précontraint est interposé entre les brides prévues - aux extrémités du compensateur tubulaire élastique, en formant ainsi une chambre de sécurité fermée qui entoure le compensateur. De cette façon, la flexibilité de la liaison est assurée par le compensateur tubulaire élas- tique. Dans cette forme de réalisation, la chambre de sé- curité Deut être raccordée à un ou plusieurs instru- ment(s) qui détecte(nt) et/ou indique(nt) l'élévation de la pression dans la chambre par exemple, un manomètre et une extrémité de tube compensateur. L'invention est décrite en détail ci-après à propos d'exemples et en regard des dessins sur lesquels, la figure 1 est une coupe longitudinale d'un joint d'arbre selon l'invention; la figure 2 illustre un autre procédé d'étan- chéité de traversée d'arbre qui présente une meilleure protection contre la pression. La tubulure d'une machine de l'industrie chimi- que, par exemple, d'un autoclave, d'un malaxeur ou d'une centrifugeuse, est indiquée par la référence 1 et 1' arbre de cette machine par la référence 2. Une extrémité du compensateur tubulaire élastique indiquée par 4 est fixée à la tubulure 1 par un joint démontable approprié quelconque tandis que l'autre extrémité du compensateur 4 est reliée au presse-garniture 7 de la même façon par un joint démontable. Le pressegarniture 7 est monté sur un manchonabrasif 17 fixé à l'arbre 2 et qui tourne avec cet arbre, et qui sert en partie à protéger la surface de l'arbre et en partie à éliminer les éventuels défauts de surface éventuels de l'arbre. Le presse-garniture 7 est composé d'un bottier 8,et de bagues d'étanchéité 9 et 9a agencées dans ce bot- tier. La bague d'étanchéité 9 sert à former un joint étanche aux surpressions intérieures, et la bague 9a à former un joint étanche à la pression extérieure (par exemple, dans le cas d'une dépression intérieure) . Une bague de guidage 10 est montée rigidement au-dessus des bagues d'étanchéité 9 et 9a et elle est faite d'une ma- tière pour coussinets très glissante, par exemple, de polytétrafluoréthylène chargé de carbone, et dont le dia- mètre intérieur ajusté est conforme au diamètre ajusté des bagues d'étanchéité 9 et 9a. On peut utiliser plus d'une seule bague de guidage, par exemple deux bagues de guidage, la deuxième bague de guidage pouvant être pla- cée entre les bagues d'étanchéité 9 et 9a, ou les deux bagues d'étanchéité pouvant au contraire encadrer les deux bagues d'étanchéité, ou encore on peut utiliser plus de deux bagues d'étanchéité, les bagues de guidage et les bagues d'étanchéité étant alors montées en alter- nance. La bague de guidage 10 se comporte comme un cous- sinet sur le manchon abrasif17 pour centrer le presse-gar- niture 7 sur le manchon abrasit 17. Le manchon abrasif 17 est fixé à l'arbre 2 au moyen de vis d'arrêt 19 et il est monté à joint étanche sur cet arbre au moyen d'au moins une baque d'étanchéité 18. Le bottier 8 du presse- garniture est fermé au moyen d'un chapeau 11 fixé au boî- tier 8 par un assemblage à vis 12. Le compensateur tubu- laire élastique 4 intercalé entre le bottier 8 et la bri- de 3 de la tubulure 1 est monté comme suit: la bride , fixée au moyen d'un assemblage à vis 14 monté sur la bride 3 avec interposition d'une garniture d'étanchéité 16, serre une extrémité du compensateur 4 tandis que l'autre extrémité est serrée sur la bride 21 fixée au bottier 8 au moyen d'un assemblage à vis 15, avec inter- position d'une garniture d'étanchéité 16. Des trous 36 et 37 sont prévus sur la circonférence des brides 20 et 21, et une vis 13 passe à travers chaque trou. Un écrou 32 est fixé sur l'extrémité de la vis 13 et à l'exté- rieur de la bride 21, et une rondelle élastique 35 est interposée entre la bride 20, l'écrou 34 et la bride 21. Entre les brides 20 et 21, la vis 13 est passée à travers un ressort hélicoïdal 6 qui prend appui sur des coupelles de ressort 5 et qui tend à écarter les brides et 21 l'une de l'autre. Dans la version représentée sur la figure 2, les éléments identiques à ceux de la figure 1 ont été désignés par les mêmes numéros de référence. La diffé- rence la plus significative entre cette version et celle représentée sur la figure 1 consiste en ce que, pour te- nir compte de la pression qui règne dans cet appareil chimique industriel, on utilise un dispositif qui offre un supplément de sécurité relativement aux défauts éven- tuels du compensateur 4. Ici, le compensateur tubulaire élastique 4 est serré, d'une part, entre le bottier 8 du presse-garniture et la bride 22 et, d'autre part, entre la bride 3 de la tubulure 1 et la bride 23. Un ressort tubulaire précontraint 26 est interposé entre les brides 22 et 23 et prend appui dans une cavité 31 pratiquée dans la bride 22 ainsi que dans une cavité 32 pratiquée dans la bride 23, avec interposition de bagues d'étan- chéité 25. Un trou de compensation 22a est pratiqué dans la bride 22 et raccordé à un tube compensateur 30. Un ma- nomètre 29 est intercalé dans le tube compensateur 30 avec l'intermédiaire d'un clapet à bille 27 et d'une con- duite de transmission 28. Finalement, l'extrémité 27a du tube compensateur sort du clapet à bille 27. Le ressort hélicoïdal 6 représenté sur la figure 1 peut être suppri- mé sur chaque vis 24 (qui correspond à la vis 13 de la figure 1) qui assemble les brides 22 et 23 puisque, dans cette forme de réalisation, le ressort tubulaire précon- traint 26 assure la flexibilité de l'assemblage ainsi que la sécurité. Le mécanisme selon l'invention fonction- ne de la façon suivante. Lorsque l'arbre 2 tourne, le manchon abrasif 17 fixé rigidement à cet arbre par les vis 19 tourne avec l'arbre, même dans le cas d'une flexion radiale. Le pres- se-garniture 7 est fixé à la bride 3 de la tubulure 2 par l'intermédiaire de l'assemblage à vis 15, des brides 21 et 20 et de l'assemblage à vis 14. Les déplacements axiaux et radiaux des deux extrémités du compensateur 4, ou de la tubulure 1 et du presse-garniture 7 l'un par rapport à l'autre à l'encontre de l'action du ressort hé- licoïdal 6 sont rendus possibles par les vis 13 qui reli- ent les.brides 20 et 21, ce qui empêche en même temps le presse-garniture 7 de subir de grandes déformations de torsion par rapport à la tubulure 1. La flexion radiale et le léger déplacement axial de l'arbre 2 entre les bri- des 20 et 21 sont absorbés par la flexibilité de la liai- son assurée par les vis 13 et les ressorts 6. Etant don- né que le compensateur 4 admet un léger déplacement sou- ple entre la bride 3 et le bottier 8 du presse-garnitu- re, et qu' en même temps la bague de guidage aligne et serre fermement le manchon abrasif 17, le bottier 8 du presse-garniture tourne se déplace conjointement avec l'arbre 2 en restant concentrique à cet arbre, de sorte que la charge due aux flexions radiales de l'arbre n'af- fecte pas les bagues d'étanchéité 9, 9a. La flexion radi- ale de 2 à 3 mm qui se produit fréquemment en pratique est considérablement réduite par ce montage et tombe à moins de 0,1, mm de sorte que la fréquence et le coût des opérations d'entretien - dues aux chocs sur la garni- ture - sont considérablement réduits, tandis que la sécu- rité de fonctionnement de l'appareil est fortement amé- liorée. La version représentée sur la figure 2 est de préférence utilisée pour les machines de l'industrie chi- mique qui travaillent sous pression. Sous l'asoect de l'atténuation des chocs radiaux, le fonctionnement de ce mécanisme est sensiblement identique à celui du mécanisme représenté sur la figure 1, avec cette diffé- rence que, ici, la flexion radiale et le léger déplace- ment axial de l'arbre sont compensés par le ressort tubu- laire 6. En outre, si le compensateur 4 cède sous l'effet de la pression régnant dans la cuve, c'est-à- dire qu'il n'est plus étanche à la pression, son rôle de garantie de l'étanchéité à la pression et de liaison flexible est assuré temporairement par le ressort tubu- laire 6. En même temps, le fluide sous pression passe à travers le trou de compensation 22a, le tube compensa- teur 30 et le clapet à bille pour atteindre le manomètre 29, lequel signale l'élévation de la pression dans la chambre située à l'intérieur du ressort tubulaire. Par ailleurs, il peut être prévu un dispositif classique rac- cordé à l'extrémité du tube compensateur 27a pour atti- rer l'attention du personnel de conduite sur le défaut qui s'est produit, par exemple par un signal sonore. Si la vitesse d'écoulement est suffisamment élevée, le cla- pet à bille 27 se ferme et arrête l'échappement du gaz à l'extrémité 27a du tube compensateur. Le ressort tubulai- re précontraint 26 qui reste fermé à joint étanche sur les brides 22 et 23 assure sa fonction jusqu'à ce que l'appareil puisse être mis à l'arrêt et décompressé et que le défaut puisse être réparé. Le principal avantage de la présente invention consiste en ce que le centrage établi entre l'arbre et le presse-garniture peut être obtenu de façon très simple au moyen de la bague de guidage et que, en même temps, la charge radiale due à la flexion de l'arbre est réduite. La bague de guidage absorbe le déplacement radial de l'arbre, en entratnant avec elle le bottier du presse-garniture. La bague de guidage peut être fabri- quée de façon simple et à peu de frais, par usinage en série et avec la précision voulue, et elle peut être mise en place dans le bottier du presse-qarniture d'une façon simple. La coaxialité des bagues d'étanchéité et de la bague de guidage peut être garantie avec précision grace aux diamètres d'ajustement identiques. On peut uti- liser dans le presse-garniture n'importe quel tyDe de ba- gue d'étanchéité utilisé jusqu'à présent, il n'est pas nécessaire de prévoir une qualité spéciale et on peut au contraire utiliser des éléments d'étanchéité simples et peu coûteux, parce que le mécanisme selon l'invention est capable de résister aux charges et qu'il possède donc une grande longévité. L'invention permet également de monter le presse-garniture aussi bien sur une sortie supérieure d'arbre que sur une sortie inférieure. L'as- semblage du mécanisme n'exige aucune habileté ni préci- sion spéciale et ce mécanisme peut être monté dans des machines existantes simplement par remplacement du pres- se-garniture antérieur. R E V E N D I C A T I ONS 1 - Presse-garniture pour arbre à grande ampli- tude de flexion, comprenant un bottier, un presse-garni- ture contenant des bagues d'étanchéité, ainsi qu'un com- pensateur tubulaire élastique dont une extrémité est fixée rigidement à la tubulure tandis que l'autre extré- mité est fixée rigidement au bottier du presse- garniture, caractérisé en ce qu'au moins une bague de guidage (10) est prévue dans le bottier (8) pour centrer le presse-garniture (7) sur l'arbre (2). 2 - Presse-garniture selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague de guidage (10) est dis- posée entre les bagues d'étanchéité (9, 9a) et le cha- peau (11). 3 - Presse-qarniture selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs bagues de guidage (10) sont montées dans le bottier (8.), dans une disposition qui encadre les bagues d'étanchéité (9, 9a), ou dans une disposition dans laquelle elles sont montées en alter- nance avec les bagues d'étanchéité (9, 9a). 4 - Presse-garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bague de guidage (10) est faite d'une matière à faible coeffi- cient de frottement, avantageusement, d'une matière Dour coussinets. 5 Presse-garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des brides (20, 21) sont montées sur les deux extrémités d'un compensateur (4), l'une des brides (20) étant fixée à la tubulure (1) et l'autre (21) au press-garniture, par des liaisons rigides et démontables, avantageusement par des assemblages à vis (14, 15) et les deux brides (20, 21) étant reliées l'une à l'autre par une liaison qui admet un léger déplacement flexible dans les directions radia- les et axiales. 6 - Presse-garniture selon la revendication 5, caractérisé en ce que les brides (20, 21) sont reliées l'une à l'autre au moyen de vis (13) passant à travers les trous (37, 36) des brides (20, 21), et aux extrémi- tés desquelles sont montés des arrêtoirs fixes, par exem- ple, des écrous (34), ces vis étant passées chacune dans un ressort hélicoidal (6) serré entre les brides (20, 21). 7 - Presse-garniture selonl'une quelconque des revendications 1 à 5, en particulier pour l'étanchéité de la traversée d'un arbre qui passe à travers la tubulu- re d'un récipient étanche à la pression, caractérisé en ce qu'un ressort tubulaire précontraint (26) est interpo- sé entre les brides (22, 23) prévues sur l'extrémité du compensateur (4), en formant une chambre de sécurité étanche (33) qui entoure le compensateur (4) (figure 2). 8 - Presse-garniture selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de sécurité (33) est raccordé à un ou plusieurs instrument(s) qui détecte(nt) et/ou indique(nt) l'élévation de la pression dans la chambre de sécurité, par exemple, un manomètre (29) et une extrémité de tube compensateur (27a).