Brevet FR2613456A1 — publié le 19881007

i 2 6 13 4 56 Dispositif de passage tournant, pour transférer des fluides sous pression d'une partie fixe à une partie rotative de machine La présente invention se rapporte à un dispositif de passage tournant pour transférer des fluides sous pres- sion d'une partie fixe à une partie rotative de machine, l'arbre présentant un alésage axial auquel se raccorde un canal radial, qui débouche dans un canal annulaire d'une ba- gue ou d'un coussinet muni de canaux d'arrivée du fluide, dispositif dans lequel il est prévu, entre un carter et l'arbre, un coussinet dont l'étanchéité est assurée, par rapport audit carter, par l'intermédiaire de garnitures d'étanchement. Dans les dispositifs de passage tournant connus jusqu'à présent, il s'agit de ce qu'on appelle des "systè- mes rigides", c'est-à-dire de systèmes dans lesquels la po- sition et la dimension de l'interstice fonctionnel, entre les parties fixe et rotative,dépendent exclusivement de la précision de fabrication. Ainsi, il ne s'opère aucune adaD- tation à des écarts de forme et de position, dus à la fabri- cation et à des paramètres de service, des interstices fonctionnels entre le carter et l'arbre. Dans les systèmes connus, pour maintenir les per- tes hydrauliques dans des limites admissibles, des intersti- ces d'un ordre de grandeur compris entre 5 pm et 10 pm sont, en général, nécessaires entre les parties animées de mouve- ments relatifs. Toutefois, cet ordre de grandeur se situe déjà en deçà de jeux de montage normaux, c'est-à-dire que, par suite des tolérances ou des contraintes thermiques, les parties constitutives fixe et rotative peuvent aisément venir en contact mécanique et de ce fait, en présence de grandes vitesses angulaires, faire l'objet d'une usure rapide ou d'un grippage. Ce risque existe notamment, par exemple, lorsqu'une rapide montée en régime jusqu'à la vitesse ancu- laire nominale est exigée. Dans ce cas, par suite d'une dc a- tation thermique inégale du coussinet et de l'arbre, il peut très vite se produire une "croissance" des interstices fonctionnels et, par conséquent, un blocage du dispositif de passage tournant. Une telle défaillance de l'ensemble du système, avec les conséquences économiques qu'elle implique, peut être de surcroît la source d'un danger d'accident considérable, car des flexibles, des conduits de jonction et éléments similaires peuvent être rompus. C'est pourquoi dans de nombreux cas, pour des raisons de sécurité, l'on est contraint d'augmenter les hauteurs des interstices d'une manière telle que des tolérances de fabrication, ainsi que des effets thermiques de brève durée, ne puissent pas provoquer une venue en contact des pièces constitutives rotatives avec les pièces fixes. D'autre part cependant, les fuites importantes (et par conséquent les grandes pertes hydrauliques), résultant des grandes hauteurs des intersti- ces, ne sont pas économiques et entrainent des coûts notables. Le brevet CH-A-483 584 décrit un dispositif de passage tournant, dans lequel est prévu un système compen- sateur destiné à contrebalancer les forces radiales, diri- gées vers l'extérieur, qui sont engendrées au cours du trans- fert d'un fluide sous pression. Cela vise à empêcher des fuites plus nombreuses qui, sinon, réclameraient une capa- cité de pompage suraugmentée. Toutefois, dans ce dispositif connu de passage tournant, un inconvénient consiste en ce que le système de passage direct sert simultanément de système de montage de l'arbre. C'est pourquoi l'ensemble unitaire de montage, comprenant par exemple un carter et un coussinet, doit être par lui-même rigide et fixe par rapport à l'axe de l'arbre. Ainsi, le système compensateur recher- ché autorise seulement un déport de l'arbre à l'intérieur des interstices d'étanchéité. Par ailleurs, un inconvénient majeurde ce système consiste en ce que l'occurrence d'impor- tants décalages de l'arbre, dus à la fabrication ou au fonc- tionnement, implique le risque d'une dilatation et d'une détérioration des interstices d'étanchéité et de montage, voire même éventuellement d'un blocage par grippage. L'invention a par conséquent pour objet un dispo- sitif de passage tournant à interstice radial, amélioré de manière que, dans toutes les conditions d'exploitation, c'est-à-dire à de grandes vitesses angulaires et simul- tanément sous de fortes pressions, son fonctionnement soit absolument fiable et ses fuites soient en outre réduites à un minimum. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par l'implantation d'un coussinet pouvant coulisser radia- lement entre le carter et l'arbre, l'interstice entre le carter et le coussinet étant comblé par des garnitures élas- tiques d'étanchement, pour conférer audit coussinet sa faculté de coulissement radial. Grâce à ces mesures simples, il est avantageusement satisfait aux exigences imposées à des dispositifs de passage tournant, consistant à obtenir des interstices d'étanchéité les plus étroits possible, de petites fuites en résultant, ainsi qu'une sreté simultanée empêchant une dilatation et un blocage par grippage. Dans le cadre de l'invention, il est avantageux que la fonction de montage et la fonction de transfert soient séparées l'une de l'autre. De la sorte, le montage peut être d'une conception optimale et fiable, et le coussinet "flottant" peut présenter des interstices d'étanchéité les plus étroits sans nuire le moins du monde à la fiabilité opérationnelle. Un coussinet de transfert, doté d'un tel mon- tage respectivement "mou" ou "flottant", peut par conséquent compenser des jeux de montage et des tolérances de fabri- cation existant par rapport à la position considérée de l'arbre. S'il advient que l'arbre et le coussinet entrent en contact mécanique d'un côté, par suite d'écarts de posi- tion, la pression de contact ne peut jamais excéder la for- ce de précharge des garnitures élastiques d'étanchement, c'est-à-dire que cette pression de contact est conséquemment modeste. Un autre avantage réside dans le fait que, par exemple en présence d'un fluide sous pression encrassé, le coussinet peut se déporter radialement et l'interstice re- double par conséquent de hauteur d'un côté. De la sorte, oes particules de crasse sont intégralement chassées de cette région sans pouvoir causer de dommages plus importants. Si un coincement entre l'arbre et le coussinet devait néan- moins advenir, par exemple à cause d'impuretés grossières, un entrainement du coussinet est assuré par l'arbre et le mouvement relatif a lieu exclusivement entre le coussinet et le carter, au voisinage des garnitures d'étanchement. Ainsi, le couple de réaction agissant sur le carter ne peut jamais excéder le couple de frottement pouvant être réper- cuté par l'intermédiaire de la garniture d'étanchement. Cependant, ces couples de frottement sont d'une modicité telle qu'il ne puisse jamais se produire une rotation con- jointe du carter, ni une rupture de conduits de jonction. Dans le cadre de l'invention, il est prévu de revêtir l'arbre d'un matériau à mauvaise conductibilité thermique. Ce revêtement offre l'avantage d'empêcher effi- cacement l'arbre de "gonfler" plus rapidement que le coussi- net, dans le sens radial, par suite de l'échauffement. Même lorsque des interstices minimaux sont prévus entre le cous- sinet et l'arbre, un blocage résultant de phénomènes thermi- ques est exclu. Les garnitures élastiques d'étanchement sont implantées à distance les unes des autres, d'une manière connue par elle-même, et le coussinet est muni d'une rainu- re annulaire occupant une position centrale, pour assurer l'admission du fluide sous pression. Avantageusement, la position et les dimensions de cette rainure annulaire cen- trale (ou rainure d'admission) sont mutuellement harmoni- sées de telle sorte que les surfaces de glissement du cous- sinet, cylindriques en condition exempte de pression, se déforment en des surfaces d'une enveloppe tronconique lors- qu'une pression est exercée. Cette déformation dépendant de la pression se traduit par des interstices tronconiques qui décroissent vers le côté fuites. Il en résulte, entre l'arbre et le coussinet, une force hydrostatique de guidage supplé- mentaire qui confère une stabilisation. L'invention va à présent être décrite plus en dé- tail à titre d'exemple nullement limitatif, en regard des dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une coupe d'un dispositif de pas- sage tournant conforme à l'invention; et la figure 2 illustre, à échelle agrandie, la zone repérée par "X" sur la figure 1. Comme le montrent les dessins, un carter fixe 1 est calé sur un arbre rotatif 4 au moyen d'un roulement à billes 2, 3. Un coussinet 5 est interposé entre le carter 1 et l'arbre 4. Le carter 1 possède un orifice de raccorde- ment 6, en tant que raccord d'afflux du fluide. Cet orifice 6 coïncide avec des canaux correspondants d'arrivée 7, agen- cés radialement et façonnés dans une rainure centrale d'admission 8 du coussinet 5. L'arbre 4 présente un conduit axial 9 du dispositif consommateur, ainsi que des canaux radiaux 10 qui, à leur tour, communiquent avec l'orifice de raccordement 6 et avec les canaux d'arrivée 7. Comme l'illus- trent les dessins, des garnitures d'étanchement 11, logées dans des gorges annulaires 12, sont prévues pour combler un interstice "S" entre le coussinet 5 et le carter 1. La rainure 8 déjà mentionnée, servant à l'admission du fluide sous pression et de réalisation annulaire, se trouve quant à elle entre les gorges 12. La référence numérique 13 dési- gne un revêtement dur de l'arbre 4, à mauvaise conductibi- lité thermique. Le dispositif de passage tournant, équipé d'un coussinet flottant, fonctionne comme suit: le fluide dirigé par les orifices de raccordement 6 emprunte la rainure annu- laire d'admission 8 et les canaux radiaux d'arrivée 7 du coussinet 5, puis parvient dans le conduit axial 9 à partir duquel il gagne un dispositif consommateur (non représenté). Dans ce cas, une quantité suffisante de fluide (par exemple de l'huile sous pression) afflue également dans un interstice 14 situé entre les parties mobiles l'une par rapport à l'autre, c'est-à-di-e entre le revêtement 13 de l'arbre 4 et le cous- sinet 5. De la sorte, du fait de la présence de l'interstice "S" et des garnitures élastiques d'étanchement 11 qui le comblent, le coussinet 5 est à tout instant en mesure, par suite de la suspension ou du montage élastique ou "flottant", de s'adapter à des décalages résultant de la fabrication et du fonctionnement, sans qu'une venue en contact s'opère entre l'arbre 4 et ce coussinet 5. Ainsi, la présence de l'interstice 14 est toujours préservée entre l'arbre 4 et le coussinet 5. Le montage élastique du coussinet 5, dans le carter 1,est par conséquent tel que, même en cas de déca- lages dans le sens radial, les forces de rappel des garni- tures élastiques 11 soient moins grandes que les forces hydrostatiques et hydrodynamiques de guidage dans l'intersti- ce d'étanchéité 14. Pour empêcher l'arbre 4 de "gonfler" plus rapide- ment que le coussinet 5, suite à l'échauffement, cet arbre 4 est pourvu d'un revêtement 13 en un matériau dur à mauvaise conductibilité thermique, par exemple de la céramique. Dans ces conditions, d'éventuels phénomènes thermiques suscepti- bles d'influencer la fiabilité opérationnelle de l'ensemble du système sont contrecarrés deux fois, c'est-à-dire d'une part par le choix du revêtement 13 et, d'autre part, par le montage respectivement élastique ou "flottant" du coussi- net 5. Les garnitures élastiques d'êtanchement 11 réduisent concomitamment la dissipation de chaleur, du coussinet 5 vers le carter 1. Pour accroître, en fonction de la pression, la force hydrostatique de guidage entre l'arbre 4 et le cous- sinet 5, la disposition des garnitures d'étanchement 11, ainsi que la réalisation et l'agencement de la rainure d'admission 8, peuvent être choisis de manière à autoriser une déformation, dépendant de la pression, des surfaces d'étanchéité ou respectivement d'une surface 15 de l'envelop- pe cylindrique. Cette déformation est illustrée à échelle agrandie sur la figure 2, par la zone repérée par "X" sur la figure 1. La distance a entre les gorges annulaires 12 et la rainure centrale d'admission 8, ainsi que la largeur b et la profondeur t de cette rainure, sont mutuellement dimensionnées de telle sorte que, en fonction de la pres- sion, la surface 15 de l'enveloppe cylindrique (figure 1) puisse se déformer en des surfaces 16 d'une enveloppe tron- conique. Le fluide sous pression, situé dans la rainure d'admission 8, déforme les surfaces de glissement du cous- sinet 5 d'une manière telle que les surfaces 16 de l'envelop- pe tronconique se forment de façon que le grand diamètre du cône soit tourné vers le côté pression, et que le petit diamètre de ce cône soit orienté vers le côté opposé à la pression. Bien entendu, à la différence des exemples de réa- lisation selon les figures 1 et 2, il est également possible de prévoir les gorges annulaires et les garnitures élas- tiques d'étanchement dans le carter. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. - R EV E N D I C A T I ON S - 1. Dispositif de passage tournant pour transférer des fluides sous pression d'une partie fixe à une partie rotative de machine, l'arbre présentant un alésage axial auquel se raccorde un canal radial, qui débouche dans un canal annulaire d'une bague ou d'un coussinet muni de canaux d'arrivée du fluide, dispositif dans lequel il est prévu, entre un carter et l'arbre, un coussinet dont l'étanchéité, par rapport audit carter, est assurée par l'intermédiaire de garnitures d'étanchement, dispositif caractérisé par l'implantation d'un coussinet (5) pouvant coulisser radiale- ment entre le carter (1) et l'arbre (4), l'interstice (S) entre le carter (1) et le coussinet (5) étant comblé par des garnitures élastiques d'étanchement (11), pour conférer audit coussinet (5) sa faculté de coulissement radial. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les garnitures d'étanchement (11) sont logées dans le coussinet (5) ou dans le carter (1). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'arbre (4) est revêtu d'un matériau à mau- vaise conductibilité, par exemple de la céramique. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par le fait que les garnitures d'étanchement (11) sont logées à distance les unes des autres dans des gorges annulaires (12), d'une manière connue par elle-même, la distance (a) entre les gorges annulaires (12) et la rainure centrale d'admission (8), ainsi que la largeur (b) et la profondeur (t) de cette rainure, étant mutuelle- ment dimensionnées de telle sorte que les surfaces (15) de l'enveloppe cylindrique du coussinet (5) se déforment, en fonction de la pression, en des surfaces (16) d'une enveloppe tronconique. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le fluide sous pression, situé dans la rai- nure d'admission (8), déforme les surfaces de glissement du coussinet (5) d'une manière telle que des surfaces (16) d'une enveloppe tronconique se forment de façon que le grand diamè- tre du cône soit tourné vers le côté pression, et que le petit diamètre de ce cône soit orienté vers le côté opposé à la pression.