Brevet FR2656059A1 — publié le 19910621

La présente invention concerne les dispositifs d'étanchéité à la traversée d'une paroi pour un arbre tournant elle concerne plus particulièrement les dispositifs du type joints rotatifs destinés à étancher les lignes d'arbre marines en sortie des tubes d'étambot. L'invention concerne également une bague cylindrique allongée destinée à équiper ce genre de dispositif. Les systèmes connus de ce type consistent en un boîtier fixe solidaire de l'extremite du tube d'étambot par l'intermédiaire d'un manchon souple. Ce boîtier entoure complètement l'arbre porte-hélice et des moyens internes permettent de réaliser ltétanchéité entre les deux pièces mobiles l'une par rapport à l'autre. Ces moyens d'étanchéité peuvent être de différentes natures ; ils consistent généralement en des surfaces planes de contact de bagues entre elles ou de bagues sur joints. Suivant le type d'étanchéité utilisée, soit on use directement l'arbre rotatif, soit on use l'intérieur du boîtier fixe. Ces altérations sont néfastes à une qualité optimale d'étanchéité et il est nécessaire de remplacer fréquemment ces pièces d'usure. La nature même de ces pièces rend l'opération relativement onéreuse. L'invention a pour but de remédier à cet incon vénient ; elle propose un dispositif d'étanchéité de conception très simple, dans lequel l'intégralité des effets d'usure est supportée par une pièce pratique, facilement remplaçable. Selon l'invention, le dispositif d'étanchéité à la traversée d'une paroi, pour un arbre tournant, comporte - une bague cylindrique allongée montee flottante sur l'arbre de façon à pouvoir coulisser axialement et munie de moyens d'immobilisation et dlétanchéite par rapport audit arbre - un boitier solidaire de la paroi, qui comporte des moyens pour réaliser l'étanchéité par rapport à ladite bague, laquelle étanchéité est obtenue sur une surface circulaire, directement sur la bague cylindrique. Les moyens d'étanchéité du boitier par rapport à la bague peuvent par exemple consister en un ou plusieurs joints à levre à ressort inox. Toujours selon l'invention, les moyens d'immobilisation et d'étancheité de la bague cylindrique sont constitues de joints toriques disposés dans des rainures circulaires, a chaque extrémité interne au moins de ladite bague. Cette dernière est de préférence réalisée en acier inox avec une surface externe chromée dure ; sa longueur est de préférence comprise entre 1,5 et 2,5 fois le diamètre de l'arbre. L'immobilisation de la bague cylindrique sur l'arbre peut etre completee au moyen de vis. Cette bague cylindrique peut jouer un simple rôle sur l'étanchéité du dispositif ; elle peut également intervenir pour le positionnement des moyens d'étanchéité. A cet effet, et selon une autre caractéristique de l'invention, le boitier fixe peut comporter des moyens de guidage sur la bague cylindrique, pour centrer les moyens d'étancheité. Selon un premier mode de réalisation, ces moyens de guidage sont constitués d'un roulement étanche du type à billes ou à aiguilles. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ces moyens de guidage sont constitués d'un coussinet réalisé en un matériau qui offre une bonne résistance mécanique et de bonnes qualités sur le plan du frottement ; ce matériau est, par exemple, du type constitué d'un mélange céramique-téflon. Dans ce cadre, le coussinet de guidage peut comporter une collerette qui permet de régler son positionnement par rapport au boîtier. En utilisation à faible vitesse, l'eau pénètre dans le tube d'étambot et reste au contact avec les éléments tournants du dispositif d'étanchéité. L'eau joue alors le rôle de "lubrifiant" et facilite la dissipation des calories dues au frottement des joints. A grande vitesse, le tube d'étambot se vide et les joints peuvent se détériorer si une lubrification des surfaces en contact ntest pas assurée. L'invention a également pour but de remédier à cet inconvénient que l'on retrouve dans les dispositifs de l'art antérieur et elle propose à cet effet un dispositif d'etanchéité très fiable qui permet de faire fonctionner de façon durable les joints, à sec, c'est- -dire sans apport d'eau. Les moyens d'étanchéité du boîtier par rapport a la bague cylindrique sont constitués de deux joints a levre a ressort inox, séparés par une bague entretoise. Cette bague entretoise comporte une rainure circulaire et des orifices radiaux qui permettent la lubrification depuis I'extérieur. L invention concerne egalement la bague cylindrique allongée pour le dispositif d'étanchéité précedemment decrit. Cette bague cylindrique est munie de moyens d'immobilisation en forme de vis de fixation et de moyens d'étanchéité, en forme de joint torique, par rapport à son arbre support. Mais l'invention sera encore illustrée, sans être aucunement limitée, par la description suivante de deux modes de réalisation particuliers, donnés à titre d'exemples et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une demi-coupe et demi-vue extérieure d'un premier mode de réalisation de l'invention, muni d'un coussinet de guidage - la figure 2 représente une demi-coupe et demi-vue exterieure d'une seconde version du dispositif selon l'invention. Le dispositif représenté figure 1 est monté à l'extrémité d'un tube d'etambot 1 dans lequel se loge la ligne d'arbre porte-helice 2 d'un navire par exemple. L'arbre cylindrique 2 est muni d'une bague cylindrique 3, montée flottante de façon a pouvoir coulisser axialement, a volonté, pour permettre son positionnement ou son remplacement. Cette bague 3 est munie de moyens d'immobilisation et d'étanchéité par rapport audit arbre 2 ; ces moyens consistent en deux rainures circulaires d'extrémite 4 réalisées dans son alésage et destinées a la réception de joints toriques 5. Les deux joints 5 assurent l'étancheité entre l'arbre 2 et la bague 3 ; ils servent également a l'immobilisation de la bague sur l'arbre de façon à assurer l'entraînement en rotation de ladite bague par ledit arbre. La bague cylindrique 3 consiste en fait en un manchon co-axial qui vient recouvrir l'arbre 2 sur toute la longueur du dispositif d'étanchéite. Cette longueur peut etre comprise entre 1,5 et 2,5 fois le diamètre de l'arbre ; à titre indicatif, pour un diamètre d'arbre de 60 mm, la bague cylindrique 3 peut présenter une longueur de 115 mm. De façon à assurer pleinement sa fonction, la bague 3 est réalisée en un materiau très dur. Ce matériau peut consister en de l'acier inox dont la surface externe est durcie par un traitement approprié. Cette surface externe peut par exemple être chromée dur. L'ensemble de la partie fixe du dispositif d'étanchéité est solidaire de la paroi 1, en forme de tube d'etambot dans l'exemple représenté ; cette partie fixe 6 recouvre la bague cylindrique 3 et vient reposer sur elle par l'intermédiaire de moyens de guidage et de moyens d'étanchéité. La partie fixe cylindrique 6 du dispositif d'étanchéité consiste en un boîtier 7 co-axial à l'arbre 2 et qui se présente sous la forme de deux cylindres 7a et 7b de diamètre différent Ce boîtier 7 consiste en un corps en acier inox ; il peut être réalisé monobloc ou les deux parties 7a et 7b peuvent se visser l'une sur l'autre. La partie 7a, de diamètre inférieur, se raccorde au tube d'étambot 1 par l'intermediaire d'un manchon ou durite souple 8 en caoutchouc arme, associé a un ensemble de moyens de fixation du genre colliers 9. Cette partie 7a peut éventuellement être directement fixée dans le tube d'étambot 1. Le boîtier 7 ainsi constitué est muni de moyens de guidage sur la bague 3, lesquels moyens de guidage consistent en un coussinet cylindrique 10 en un matériau du genre composé d'un mélange céramique-téflon ou toute autre matière résistant aux frottements. Le coussinet de guidage 10 est emmanché à force dans l'alésage interne de la partie 7a du boîtier 7 ; il présente un diamètre interne légèrement supérieur au diamètre externe de la bague cylindrique 3. La longueur du coussinet 10 est adaptée de façon à obtenir une importante surface de guidage sur la bague flottante 3. Le coussinet 10 peut par exemple avoir une longueur du même ordre que son diametre interne ; il s'entend sur toute la longueur de la partie de boîtier 7a. Les surfaces en contact sont adaptées pour limiter les frottements et l'usure des materiaux. Les moyens de guidage 10, associes a leur boîtier support 7a délimitent, latéralement, l'un des côtés du chambrage 11 en forme de volume annulaire déterminé par l'espace entre la bague flottante 3 et la partie 7b du boîtier 7. Ce chambrage 11 renferme les moyens d'étanchéité du boîtier 7 par rapport a la bague 3. Ces moyens d'étanchéité sont constitues de deux joints a levre 12 a ressort inox 13. Les deux joints a levre 12 sont disposés dans le chambrage 11, en appui d'une part sur le boîtier 7 et, d'autre part, sur la bague cylindrique 3 ; ils sont sépares par une bague entretoise annulaire 14. La bague 14 présente un cylindrage extérieur légèrement inferieur à l'alésage interne de la partie 7b du boîtier 7. Le diamètre de l'alésage interne de la bague 14 est supérieur au cylindrage externe de la bague flottante 3. Ainsi, comme on peut le voir figure 1, l'épaisseur de la bague 14 correspond sensiblement à la moitié de ltépaisseur du chambrage 11. L'entretoise 14 comporte une rainure circulaire externe 15 associee à une pluralite d'orifices radiaux 16 qui permettent la lubrification du chambrage 11 par l'intermediaire de l'orifice 17 prevu dans la partie 7b du boîtier 7. Cet orifice 17 peut être connecte à un graisseur disposé directement sur le corps de boîtier ou à distance.La présence de deux joints à levre avec ressort, qui fonctionnent dans la graisse et qui frottent sur la bague chromee dur, permet d'obtenir une très bonne etancheité et de conforter la fiabilité du dispositif. Les deux joints à levre 12 sont solidaires du boîtier 7 et bloqués dans le chambrage 11, d'un côté par la partie 7a du boîtier 7 et, de l'autre, par un jonc annulaire 18 en forme de circlip, disposé dans une rainure 19 prévue dans l'alésage interne de la partie 7b du boitier fixe. Les deux joints à levre prennent appui sur la bague cylindrique 3 par la pression des ressorts inox 13. Ils sont orientés convenablement par rapport a l'arrivée d'eau, de façon a jouer pleinement leur roule. Le dispositif objet de l'invention est destiné a realiser l'etancheite entre deux milieux differents. Les deux extremites de la bague 3 sont chacune en contact avec un fluide different. Par ailleurs, son cylindrage exterieur reçoit, en pression, d'une part, les moyens de guidage 10 du boîtier 7 et, d'autre part, les moyens d'étanchéité 12. Le coussinet de guidage 10 permet le centrage et le maintien en position des joints à levre 12 par l'intermédiaire du boîtier 7. L'eau provenant du tube d'étambot 1 est bloquée tout d'abord par les moyens de guidage 10 qui frottent sur la bague 3 et, en aval, par les joints anti-fuite 12 associés à la graisse de lubrification. L'extremité de la bague cylindrique 3, du côté opposé à l'arrivée d'eau, peut comporter une collerette 20 munie d'un alesage radial pour l'introduction d'une vis 21 destinee à completer la solidarisation de ladite bague 3 sur l'arbre 2. On peut prevoir de disposer plusieurs vis, trois par exemple, à 120 l'une par rapport à l'autre. Cette collerette 20 peut avantageusement servir de support à un joint complementaire d'etancheite 22 dont la levre 23 vient prendre appui sur la bordure externe de la partie 7b du boîtier 7. Comme on peut le voir sur la figure 1, la solidarisation entre le coussinet 10 et le boîtier 7 peut être completee en prevoyant une collerette 10a légèrement en saillie à l'extrémité dudit coussinet.Cette collerette qui coopère avec une échancrure correspondante du boîtier 7, permet l'immobilisation axiale du coussinet, en association avec les joints à levre 12. La figure 2 montre un second mode de réalisation de l'invention. Pour des raisons de simplification, les éléments identiques au premier mode de réalisation conservent les mêmes reperes. Dans cette version, l'arbre porte-hélice 2 est associé à une bague coulissante 3 par 1 t intermédiaire de deux joints toriques 5 d'extrémité qui assurent l'entralnement en rotation de la bague 3 par l'arbre 2 et l'étanchéité bague-arbre. L'element rotatif 3 du dispositif d'étanchéité est associe à un élément fixe, solidaire du tube d'étambot 1. Cet élément fixe consiste en un boîtier 24 constitué d'une juxtaposition de trois parties 24a, 24b, 24c, de diamètre croissant. La partie 24a a un diamètre correspondant sensiblement à celui du tube d'étambot 1 ; elle est reliée à ce dernier par l'intermédiaire d'une durite en caoutchouc armé 25 comportant une partie centrale 26 flexible. La durite 25 est serrée d'une part, sur le tube d'étambot 1 et, d'autre part, sur la partie 24a du boîtier, par l'intermédiaire de colliers 27. Les parties 24b et 24c du boîtier 24 comportent, respectivement, les moyens d'étanchéité et les moyens de guidage du boîtier sur la bague cylindrique 3. La partie 24b du boîtier fixe 24 correspond à la partie 7b du premier mode de réalisation figure 1. Le chambrage 11 défini entre l'élément cylindrique 24b et la bague 3 renferme les deux joints à levre 12 à ressort inox 13 séparés par la bague entretoise 14. L'entretoise 14 est rainurée sur son diamètre externe et comporte des orifices radiaux pour la lubrification provenant de l'orifice 17, lequel est connecte, directement ou à distance, à un graisseur non représenté. Les deux joints à levre 12, solidaires du boîtier 24, sont serrés sur la bague flottante 3 ; complémentairement, ils sont bloqués, d'un côté par l'épaulement 28a et, de l'autre, par un jonc annulaire 28b. La partie 24c du boîtier 24 est munie des moyens de guidage du boîtier sur la bague flottante 3. Ces moyens de guidage consistent, dans cet exemple de réalisation, en un roulement à billes 29. La cage interne 30 de ce roulement est solidaire du boîtier 24 ; la cage externe 31 est fixée sur la bague 3. Les billes 32 réalisent le guidage en rotation de ltelement fixe 24 sur l'élément mobile 2, 3. On peut remarquer que les positions respectives des moyens de guidage et d'étanchéité ont été inversés par rapport au mode de réalisation de la figure 1. Le roulement de guidage peut également consister en un roulement à aiguilles. Une collerette annulaire 33 est positionnée à l'extremite du boîtier 24, entre la cage externe 30 du roulement 29 et son moyen de blocage 34 en forme de jonc annulaire ou circlip. Cette collerette annulaire permet l'appui de la levre du joint complémentaire 22 qui est solidaire de la bordure extrême 20 de la bague 3. Cette bordure 20 est munie d'au moins un orifice pour le passage d'une vis 21 qui complète la liaison entre la bague 3 et l'arbre 2. Les materiaux du dispositif d'etancheite selon l'invention doivent être adaptes pour résister à l'usure par frottement et a haute température ainsi qu'a la graisse au téflon. A terme, les frottements internes necessitent le remplacement des pièces usées. Le dispositif selon l'invention permet tout d'abord de limiter cette usure par un choix et un traitement des materiaux appropries, il permet ensuite de limiter l'intervention au remplacement de la bague cylindrique seule, laquelle supporte l'integralite des effets d'usure. Des bagues cylindriques indépendantes pourront ainsi être prévues pour l'entretien du dispositif. Ces bagues consistent, comme celles décrites ci-avant, en un cylindre métallique de dimensions adaptées et convenablement traité ; ce cylindre est muni de moyens d'immobilisation et de moyens d'étanchéité, en forme de joints toriques, complétés par des vis de fixation permettant son blocage par rapport à l'arbre support sur lequel il est destiné à être monté. Le guidage du boîtier 6 par rapport à la bague 3, au moyen du coussinet 10 ou du roulement 29 permet de centrer parfaitement les joints d'étanchéité. Ces joints sont destinés à etre graissés de façon régulière pour assurer leur tenue. Les moyens de guidage du boîtier 6 sur la bague 3 sont aptes à fonctionner à sec, c'est-à-dire sans présence d'eau. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement la portée. - REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'etanchéité à la traversée d'une paroi, pour un arbre tournant, caracterisé en ce qu'il comporte, d'une part, sur l'arbre (2), une bague cylindrique (3), allongée, pouvant coulisser, munie de moyens d'immobilisation et d'étanchéité par rapport audit arbre (2) et, d'autre part, solidaire de la paroi, un boîtier (7, 24) qui comporte des moyens pour réaliser l'étanchéité par rapport à ladite bague (3), laquelle étanchéité est obtenue sur une surface circulaire, directement sur la bague cylindrique (3). 2.- Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'immobilisation et d'étanchéité de la bague cylindrique (3) sont constitués de joints toriques (5) disposés dans des rainures circulaires (4), à chaque extrémité interne au moins de ladite bague (3). 3.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caracterisé en ce que la bague cylindrique (3) est realisee en acier inox avec une surface externe chromée dur, sa longueur étant comprise entre 1,5 et 2,5 fois le diamètre de l'arbre (2). 4.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'immobilisation de la bague cylindrique (3) sur l'arbre (2) est realisee au moyen de vis. 5.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité du boîtier (7, 24) par rapport a la bague cylindrique (3) sont constitués d'au moins un joint a levre (12) a ressort inox (13). 6.- Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le boîtier (7, 24) comporte des moyens de guidage sur la bague cylindrique (3) pour centrer les moyens d'étancheite. 7.- Dispositif d'etancheité selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de guidage du boîtier (24) par rapport a la bague cylindrique (3), sont constitués d'un roulement étanche (29). 8.- Dispositif d'étanchéite selon la revendication 6, caracterise en ce que les moyens de guidage du boitier (7), par rapport à la bague cylindrique (3), sont constitues d'un coussinet (10) en materiau du genre ceramique-téflon. 9.- Dispositif d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité du boîtier (7, 24) par rapport à la bague cylindrique (3) sont constitués de deux joints à levre (12) à ressort inox (13), séparés par une bague entretoise (14). 10.- Dispositif d'étanchéite selon la revendication 9, caractérise en ce que la bague entretoise (14) qui sépare les deux joints à levre (12) comporte une rainure circulaire (15) et des orifices radiaux (16) qui permettent la lubrification. 11.- Bague cylindrique allongée pour dispositif d'etancheite selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, munie de moyens d'immobilisation et de moyens d'etancheite en forme de joints toriques (5), complétés par au moins une vis permettant sa fixation sur son arbre support (2).