Brevet FR2631415A1 — publié le 19891117

Joint d'étanchéité pour surface cylindrique La présente invention concerne un joint d'étanchéité pour surface cylindrique utilisé comme dispositif d'étanchéité pour arbre. On connaît bien jusqu'à maintenant des joints d'étanchéité pour surface cylindrique qui ont une construction telle que représen- tée aux figures 5 à 11 du dessin annexé. Parmi ceux-ci, le joint d'étanchéité pour surface cylindrique 1A représenté aux figures 5 à 8 est appelé du type à deux bagues et comprend un boîtier 2 enfermant à l'intérieur une bague d'étanchéi- té 4, une bague-couvercle 5, une clé 6, et un élément 3 combiné à un ressort d'extension 7 et un ressort de compression 8, et un dis- positif de retenue de ressort 9 est placé en tant que couvercle qui est fixé par une bague à ressort 10. La bague d'étanchéité 4 et la bague-couvercle 5 sont principalement formées en un maté- riau à base de carbone, les deux bagues 4 et 5 étant divisées en trois sections égales ou plus, en fonction de la dimension d'un ar- bre 11, et étant conbinées avec une phase de division dérivée dans une direction circonférencielle. Une portion divisée de la bague d'étanchéité 4 comprend un joint épaulé ayant une surface de recou- vrement 12a qui s'étend orthogonalement par rapport à une direc- tion axiale et dans une direction circonférencielle afin d'arrê- ter une trajectoire de fuite axiale. L'élément d'étanchéité 3 est arrêté par la clé 6 au moyen d'une broche de verrouillage en rota- tion 13 montée orthogonale sur le boîtier 2, et est fixé de maniè- re à être enserré vers l'arbre 11 au moyen du ressort d'extension 7, de sorte que l'élément d'étanchéité 3 peut suivre un mouvement radial de l'arbre pivotant 11 et tenir la surface de diamètre inté- rieur de la bague d'étanchéité 4 en contact de glissement avec la surface de diamètre extérieur d'un patin 14 disposé à l'extérieur de l'arbre 11. On va décrire ci-après un mécanisme d'étanchéité du joint d'étan- chéité pour surface cylindrique 1A du type à deux bagues décrit ci- dessus. La trajectoire de fuite radiale résultant de la division de la ba- gue d'étanchéité 4 dans la direction circonférencielle est fermée par le contact mutuel des surfaces de recouvrement 12a du joint épaulé comme décrit précédemment. La trajectoire de fuite diamé- trale dans la portion de joint épaulé est fermée par le contact de la bague-couvercle-5 qui diffère en phase de la portion divisée de la bague d'étanchéité 4 de manière à recouvrir le joint épaulé de- puis le côté de diamètre extérieur de celui-ci. La surface de dia- mètre intérieur de la bague d'étanchéité 4, en contact de glisse- ment avec la surface de diamètre extérieur du patin 14 qui tourne solidaire avec l'arbre 11, est formée de manière à avoir le même diamètre qu'une portion de barrage d'étanchéité 15 en contact de glissement avec la surface de diamètre extérieur du patin 14 en po- sition fermée, pour former une portion d'étanchéité primaire et une portion de coussinet de support 16 qui partage une pression de surface de contact entre la surface de diamètre extérieur du pa- tin 14 et la portion de barrage d'étanchéité 15 pour recevoir la pression, la portion de coussinet d'étanchéité 16 ayant une rainu- re d'équilibrage de pression 17 pour introduire un fluide sur la face de haute pression Pl afin de soulager une charge radiale cau- sée par une pression de fluide sur la portion de contact coulis- sant incluant ledit joint primaire, la portion de coussinet de sup- port 16 n'ayant pas de fonction d'étanchéité. L'élément d'étanchéi- té 3 est pressé axialement par le ressort de compression 8 dont une extrémité est supportée par le dispositif d'arrêt de ressort 9 sur la face de haute pression Pl, et une surface d'extrémité 18 op- posée au ressort de compression 8 est en contact avec une paroi d'extrémité du boîtier 2 opposé pour former un joint d'étanchéité secondaire statique. La référence 19 désigne une rainure d'équili- brage de pression destinée à introduire un fluide sur la face de haute pression Pl, la rainure d'équilibrage de pression étant for- mée dans la surface d'extrémité 18 sus-mentionnée pour soulager la charge axiale causée par la pression de fluide sur la portion de contact entre la surface d'extrémité 18 comprenant la seconde por- tion d'étanchéité et la paroi d'extrémité du boiter 2. Ensuite, un joint d'étanchéité pour surface cylindrique lB, repré- senté aux figures 9 et 10, est appelé du type à trois bagues. Un élément d'étanchéité 3 comporte dans sa surface de diamètre inté- rieur une rainure d'introduction de pression 17' qui est divisée selon les mêmes phases que celles de la bague-couvercle 5, pour faire communiquer une rainure d'équilibrage de pression 17 de la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéité 4 avec un espace sur la face de haute pression Pl, et présente une bague ar- rière 21 fixée par un ressort d'extension 20 distinct du ressort d'extensior 7 agencé pour fixer la bague d'étanchéité par l'inter- médiaire de la bague-couvercle 5, la bague d'étanchéité 4 et la ba- gue-couvercle 5 étant pressées axialement par le ressort de com- pression 8 par l'intermédiaire de la bague arrière 21. La portion divisée de la bague d'étanchéité 4 ne comporte pas de joint épau- lé comme pour le joint d'étanchéité pour surface cylindrique lA du type à deux bagues décrit ci-dessus, mais est coupée selon un plan droit axial 12b. La trajectoire de fuite radiale dans la portion divisée de la bague d'étanchéité 4 est fermée par la bague-couver- cle 5 de manière similaire au type à deux bagues mentionné précé- demment, tandis que la trajectoire de fuite axiale est fermée par la bague arrière 21 qui a une phase de division différente de cel- le de la bague d'étanchéité 4 mais a la même phase que. la bague- couvercle 5. Un joint d'étanchéité pour surface cylindrique 1C représenté à la figure 11 est appelé du type à une bague. Une bague d'étanchéité 4 est fixée par un ressort d'extension 7 directement sans interposi- tion d'une bague-couvercle. La portion divisée de la bague d'étan- chéité 4 comprend un joint à botte qui ferme une trajectoire de fuite axiale par une surface de recouvrement 12c orthogonale à la direction axiale, et ferme une trajectoire de fuite radiale par une surface de recouvrement 12d parallèle à la surface de diamè- tre extérieur et à la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéité 4. Les joints d'étanchéité pour surface cylindrique 1A, lB et 1C dé- crits précédemment donnent une bonne étanchéité dynamique en four- nissant un état de fermeture complète entre la portion de barrage d'étanchéité 15 de la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéité 4 et la surface de diamètre extérieur du patin 14 sur la face de l'arbre 11. Cependant, en fait, il se produit parfois un contact insufisant entre la portion de barrage d'étanchéité i5 et le patin 14, dû à une erreur de précision d'usinage de la surfa- ce de diamètre intérieur du joint d'étanchéité 4, et qui a pour ré- sultat une fuite excessive qui pose un problème pratique. Le con- tact imparfait de la portion de barrage d'étanchéité 15 se pro- duit dans le cas o la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéité 4 est usinée selon une forme conique de manière à avoir un diamètre légèrement plus grand sur la face de la portion de barrage d'étanchéité 15, ou quand la surface de diamètre exté- rieur du patin 14 est usinée selon une forme conique de manière à avoir un diamètre légèrement plus petit dans une portion correspon- dant à la portion de barrage d'étanchéité 15. Au moment de l'assemblage après fabrication, mais avant toute uti- lisation la surface de diamétre intérieur de la bague d'étanchéi- té 4 aussi bien que la surface de diamètre extérieur du patin 14 sur la face d'accouplement, sont à l'état dans lequel elles ne sont pas finies par usinage. En conséquence, il existe un petit jeu inévitable entre les surfaces de contact des deux éléments 4 et 14.L'irrégularité de ce jeu constitue l'une des causes signifi- catives de la fuite initiale. Si la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéité 4 se rode dans la surface de diamètre extérieur du patin 14, du fait de l'usure résultant du contact de glissement, la portion de barrage d'étanchéité 15 sera dans un état de contact stabilisé sur toute la périphérie. En conséquence, l'état de contact imparfait mention- né ci-dessus n'est plus un problème. Cependant, la bague d'étan- chéité 4 est formée à l'origine en un matériau qui est difficile à user et, de plus la charge causée par la pression de fluide.agis- sant dans une direction radiale est soulagée par la rainure d'équi- librage de pression 17. Ainsi, la bague d'étanchéité 4 est diffici- le à user en termes de construction. De ce fait, il faut un temps considérable (généralement 100 à 200 heures) jusqu'à ce que la por- tion de barrage d'étanchéité 15 soit complètement rodée sur le pa- tin 14 du fait de l'usure, pour présenter une bonne propriété d'é- tanchéité, période pendant laquelle se produit inévitablement une fuite importante. En conséquence, afin d'éliminer un tel inconvénient, la précision d'usinage (cylindricité) de la bague d'étanchéité 4 et du patin 14 devrait être augmentée jusqu'à un niveau extrêmement élevé. Cepen- dant, en fait, il est difficile d'effectuer un usinage avec une précision élevée telle que décrite. En considérant le problème exposé ci-dessus, la présente inven- tion a été effectuée pour réduire au minimum la fuite initiale due au contact imparfait entre la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéité et la portion de barrage d'étanchéité de maniè- re à obtenir rapidement une propriété d'étanchéité stabilisée. A cet effet, dans un joint d'étanchéité pour surface cylindrique conforme à l'invention, une portion de coussinet de support dans la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéité, est pré- formée selon une surface cylindrique ayant un diamètre légèrement supérieur à celui d'une portion de barrage d'étanchéité. Selon le Joint d'étanchéité pour surface cylindrique de la présen- te invention, dans la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéité, la portion de coussinet de support a un diamètre plus grand que celui de la portion de barrage d'étanchéité, tan- dis que, dans la technique antérieure, la portion de barrage d'é- tanchéité a le même diamètre que celui de la portion de coussinet de support et, de ce fait, la portion de barrage d'étanchéité vien- dra en contact avec la surface de diamètre extérieur d'un corps ro- tatif, sans défaut depuis le début. Cela signifie que la portion de coussinet de support n'est pas en contact avec la surface de diamètre extérieur du corps rotatif et, de ce fait une charge ra- diale reçue par la portion de barrage d'étanchéité par l'intermé- diaire d'une portion non supportée par la portion de coussinet de support, à savoir la charge causée par la force de fixation du res- sort d'extension et la charge due à la force non équilibrée (pres- sion différencielle) de la portion de fluide agissant sur les deux surfaces de diamètre extérieur et intérieur de la bague d'étanchéi- té, sont élevées, grâce à quoi la portion de barrage d'étanchéité vient en contact de glissement avec la surface de diamètre exté- rieur du corps rotatif avec une pression superficielle élevée. De ce fait, même s'il existe un jeu, résultant de l'usinage, entre les surfaces de contact de la portion de barrage d'étanchéité et la surface de diamètre extérieur du corps rotatif, ce jeu ne se forme pas très grand du fait que la pression superficielle de con- tact est élevée. De plus, la portion de barrage d'étanchéité s'u- se en un temps très court du fait qu'elle n'est pas supportée par la portion de coussinet de support, et elle se rode rapidement sur la surface de diamètre extérieur du corps rotatif pour founir un état de bon contact étroit. La portion de coussinet de support vient en contact avec la surface de diamètre extérieur du corps ro- tatif en une courte période de temps, du fait de l'usure mention- née précédemment, et la charge radiale est-partagée avec et reçue par la portion de coussinet de support, après quoi la pression su- perficielle de contact est considérablement réduite pour suppri- mer la progression de l'usure. Comme décrit ci-dessus, on prévoit dans le joint d'étanchéité pour surface cylindrique selon la présente invention une différence de niveaux de telle manière que la portion de coussinet de support est formée selon une surface cylindrique ayant un diamètre légère- ment supérieur à celui de la portion de barrage d'étanchéité, tan- dis que, dans la technique antérieure, la portion de coussinet de support de la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéi- té et la portion de barrage d'étanchéité ont le même diamètre, grâ- ce à quoi la portion de barrage d'étanchéité peut venir en con- tact sans défaut avec la surface de diamètre.extérieur du corps ro- tatif dès le début de l'utilisation. Ainsi, la fuite initiale peut être extrêmement réduite et, du fait que le rodage de la portion de barrage d'étanchéité dû à l'usure est achevé en une courte pé- riode de temps, cela est très efficace pour obtenir très tôt la performance d'étanchéité stabilisée avec un niveau minimal de fui- te. Bien que l'invention ait été décrite brièvement, d'autres objets et caractéristiques nouveaux de la présente invention apparai- tront plus complètement à la lecture de description détaillée sui- vante en référence aux dessins annexés. Ces dessins représentent un exemple de réalisation exclusivement dans le but d'expliquer la présente invention et ne peuvent en aucune manière limiter la por- tée technique de la présente invention. Dans ces dessins: la figure 1 est une vue en coupe axiale par moitié représen- tant l'état dans lequel est monté un joint d'étanchéité pour surface cylindrique selon une forme de réalisation de l'in- vention; la figure 2 est une vue en coupe axiale par moi- tié selon un angle de coupe différent de celui de la figure 1; les figures 3 et 4 sont des vues en coupe partielles agrandies de la forme de réalisation précédente; la figure est une vue en perspective expiosée, partiellement en cou- pe, d'un joint d'étanchéité pour surface cylindrique conven- tionnel du type à deux bagues; la figure 6 est une vue en coupe axiale analogue à la figure 1 pour le joint de la figu- re 5; la figure 7 est analogue à la figure 6, pour un an- gle de coupe différent de celui de la figure 6; la figure 8 est une vue développée d'une partie de la surface de diamé- tre intérieur d'une bague d'étanchéité; la figure 9 est une vue en coupe axiale par moitié représentant l'état dans le- quel est monté un joint d'étanchéité pour surface cylindri- que conventionnel du type à trois bagues; la figure 10 est une vue développée d'une partie des surfaces de diamètre in- térieur d'une bague d'étanchéité et d'une bague arrière; la figure 11 est une vue en perspective représentant un joint d'étanchéité pour surface cylindrique conventionnel du type à une bague; et la figure 12 illustre l'état de fuite au stade initial de la technique antérieure. On va décrire ci-après une forme de réalisation préférée de la pré- sente invention en se référant aux dessins. Un joint d'étanchéité pour surface cylindrique 1 représenté aux fi- gures 1 et 2 est du type à deux bagues auquel est appliquée la pré- sente invention, dans lequel une portion de coussinet de support 22 dans la surface de diamètre intérieur d'une bague d'étanchéité 4 constituant un élément d'étanchéité 3 est finie de manière à for- mer une surface cylindrique dont le diamètre est légèrement supé- rieur à celui d'une portion de barrage d'étanchéité 15. Les par- ties autres que celles qui viennent d'être mentionnées sont simi- laires à celles du type conventionnel à deux bagues qui a déjà été décrit en référence aux figures 5 à 8. Il s'est révélé pratique, en résultat d'essais, qu'une différence de niveaux D dans une direction radiale entre la portion de barra- ge d'étanchéité 15 et la portion de coussinet de support 22 repré- sentée à la figure 3 à échelle agrandie, soit comprise approximati- vement entre 0,005 et 0,1 mm. Il ne se produit aucun problème mê- me lorsque la différence de niveaux D est fixée à une valeur supé- rieure à 0,1 mm. Cependant, il est nécessaire de rendre importan- te la capacité d'usure de la bague d'étanchéité 4. La différence de 0,1 mm ou moins suffira pour obtenir l'effet voulu. Conformément à cette forme de réalisation, comme représenté à la figure 4, même si la surface de diamètre intérieur de la bague d'é- tanchéité 4 comprenant la portion de barrage d'étanchéité 15 et la portion de coussinet de support 22 est usinée selon une forme coni- que de manière à avoir un diamètre légèrement plus grand vers une face de basse pression P2, du fait d'une erreur d'usinage, la por- tion de barrage d'étanchéité 15 à faible diamètre viendra d'abord en contact avec un patin 14, du fait de la présence de la différen- ce de niveaux D. A cet instant, le fluide sur la face de haute pression Pl pénètre dans la portion de coussinet de support 22 sans contact avec le patin 14 et une rainure d'équilibrage de pres- sion 17 formée dans la portion de coussinet de support 22, le flui- de étant empêché de s'écouler vers la face de basse pression P2 dans la portion de barrage d'étanchéité 15 en contact avec le pa- tin 14. La portion de barrage d'étanchéité 15 a une largeur d'étan- chéité W fixée de manière à être faible afin de réduire au mini- mum une portion non équlibrée de pression de fluide sur la face de haute pression Pl agissant dans une direction radiale. Au mo- ment de l'utilisation initiale, la portion de coussinet de sup- port 22 n'est pas en contact avec le patin 14, comme décrit précé- demmment, c'est-à-dire que celui-ci n'est pas supporté par la por- tion de coussinet de support 22 et de ce fait, la portion de barra- ge d'étanchéité I5 sera en contact coulissant avec le patin 14 avec une pression superficielle élevée. En conséquence, la por- tion de barrage d'étanchéité 15 s'use rapidement sur toute sa péri- phérie et se rode complètement contre la surface de diamètre exté- rieur du patin 14 en une courte période de temps, approximative- ment 0,5 à 3 heures. Cela a un effet extrêmement élevé par rap- port à l'état de la technique qui nécessite un temps considérable, 100 à 200 heures, jusqu'à ce que la portion de barrage d'étanchéi- té 15 soit rodée. Spécifiquement, le fonctionnement d'essai de ma- chines telles que de grands compresseurs, turbines, etc. sur les- quelles ce joint d'étanchéité est monté, peut être effectué en un temps très court, ce qui contribue fortement à diminuer les dépen- ses. Comme pour la performance d'étanchéité, il a été assuré par des essais que, par exemple, dans le cas d'un joint d'étanchéité pour surface cylindrique ayant un diamètre de 110, le joint d'étan- 2631.415 chéité conventionnel a une fuite initiale de 10 à 80 dm3/mn à une pression différentielle (pression d'air) de 5,6kg/cm3 entre la fa- ce de haute pression Pi et la face de basse pression P2, tandis que le Joint d'étanchéité conforme à la présente invention a une très faible fuite de l'ordre de 5 à 10dmi/mn et atteint la proprié- té d'étanchéité stabilisée en une courte période de temps. On notera que, même avec le Joint d'étanchéité pour surface cyli- drique lB du type à trois bagues représenté aux figures 9 et 10, ainsi qu'avec le joint d'étanchéité- pour surface cylindrique 1C du type à une bague représenté à la figure 1, qui diffèrent du joint d'étanchéité pour surface cylindrique du type à deux bagues dé- crit ci-dessus, la portion de coussinet de support peut être fi- nie de manière à former une surface cylindrique ayant un diamètre légèrement supérieur à celui de la portion de barrage d'étanchéi- té de la surface de diamètre intérieur de la bague d'étanchéité pour atteindre un effet similaire à celui décrit précédemment. Bien qu'on ait décrit des formes de réalisation préférées de l'in- vention, il est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'in- *vention. Revendications 1. Un Joint d'étanchéité pour surface cylindrique ayant une bague d'étanchéité (4) fixe en rotation divisée en une pluralité de sec- tions, lesdites portions divisées étant recouvertes de manière ser- rée et fixées par un ressort d'extension (7) par leur face de diamè- tre extérieur, ladite bague d'étanchéité (4) ayant une portion de barrage d'étanchéité (15) formée sur sa surface de diamètre inté- rieur en contact étroit avec la surface de diamètre extérieur d'un corps rotatif (11), et une'portion de coussinet de support (16) di- visant et recevant une pression superficielle de contact avec la surface de diamètre extérieur dudit corps rotatif (11), caractérisé en ce que ladite portion de coussinet de support (16) est préformée selon une surface cylindrique de diamètre légère- ment supérieur à celui de ladite portion de barrage d'étanchéité (15). 2. Un joint d'étanchéité pour surface cylindrique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la différence de niveau D en direction radia- le entre ladite portion de coussinet de support (16) et ladite por- tion de barrage d'étanchéité (15) est inférieure ou égale à 0,lmm.