Brevet FR2685425A1 — publié le 19930625

ENSEMBLE D'ETANCHEITE D'ARBRE TOURNANT La presente invention a pour objet un ensemble d'étanchéité comprenant un joint à surfaces terminales pour former l'espace entre un arbre rotatif et son logement. Ce joint d'étanchéité est notamment utilisé dans les turbines à gaz ou compresseurs. I1 est connu d'utiliser dans de tels milieux des joints à huile radiaux. De l'huile à une pression supérieure à la pression du gaz est pompée depuis un réservoir jusqu'à une chambre annulaire définie entre des bagues d'étanchéité. Ce type de joint implique un refroidissement coûteux de l'huile, des systèmes de recyclage d'huile, ainsi qu'un risque de pollution par l'huile du gaz dans le logement et la conduite associés. Des solutions ont été proposées comme décrites dans les documents EP-A-O 013 678 ou FR-A-1 505 487, selon lesquelles des joints tournants à régulation de fuite comportent d'une part une bague fixe et d'autre part, une bague mobile, entraînée en rotation par l'arbre. I1 est nécessaire qu'il existe entre les faces des bagues une pellicule de fluide évitant la détériorisation des faces de ces bagues. I1 est nécessaire de contrôler la valeur de cette pellicule et par suite de cette fuite de manière qu'elle reste sensiblement constante. Les dispositifs d'étanchéité connus précités nécessitent un positionnement axial des éléments constitutifs du joint très précis, ou comportant des éléments de bridage axial sur l'arbre ou sur fourreau, ou sont très sensibles aux vibrations, et présentent ainsi une usure rapide. La présente invention a pour but de supprimer les inconvénients mentionnés ci-dessus et de proposer un ensemble d'étanchéité qui permet d'obtenir un joint tournant à régulation de fuite qui reste parfaitement équilibré dans le temps, ainsi qu'une maintenance facilitée. Conformément à l'invention, ce but est atteint du fait que l'ensemble d'étanchéité pour étancher un arbre tournant traversant une paroi contre la passage d'un milieu fluide comporte une première et une deuxième bague coaxiales avec l'arbre tournant et présentant une première et une deuxième faces frontales planes annulaires perpendiculaires à l'axe de rotation de l'arbre formant des surfaces d'étanchéité annulaires, la première bague qui est susceptible d'être reliée de façon étanche à la paroi, et qui peut coulisser dans le sens de l'axe de rotation, étant appliquée contre l'autre bague par au moins un organe élastique, la deuxième bague étant munie d'un moyen de fixation susceptible de la relier en service de façon étanche à l'arbre, un ou plusieurs reliefs étant présentés par au moins une face annulaire d'étanchéité, de telle sorte qu'au moyen d'un mouvement relatif des deux bagues, le milieu fluide s'introduit entre les faces d'étanchéité et forme un matelas porteur, et comprend en outre une douille qui est reliée de manière étanche et en limitant une chambre annulaire autour de la garniture d'une part à la paroi et d'autre part à la première bague, et un moyen de maintien amovible qui retient, avant et pendant le montage, la deuxième bague dans la douille, de telle sorte que l'ensemble formé par la garniture, la douille, et le moyen de maintien, constitue une cartouche prête au montage. Grâce à cette conception, l'ensemble d'étanchéité est exempt de cales de réglage, de bridage axial, de cales d'appui des bagues, et de fourreau sur l'arbre au niveau de l'interface active. Aucun positionnement axial n'est donc nécessaire. La garniture est introduite sous forme de cartouche entièrement équipée, puis rendue solidaire de l'arbre quelque soit sa position. Le film de fluide obtenu pour la régulation de fuite possède une grande rigidité lui permettant d'être insensible aux vibrations et aux mouvements brusques de l'arbre, avec un débit de barrage faible et parfaitement contrôlable. La simplicité obtenue au montage et au démontage de la cartouche facilite la maintenance industrielle, et permet une décontamination éventuelle des pièces de la garniture. Les avantageuses dispositions suivantes sont en outre de préférence adoptées le moyen de fixation comporte un fourreau, qui est lié radialement et en rotation à la deuxième bague et muni sur son extrémité conique, d'encoches coopérant avec un écrou, pour être solidaire en service à l'arbre de façon amovible, tous les matériaux constitutifs de l'ensemble d'étanchéité sont inertes chimiquement, la face d'étanchéité de la première bague est en céramique, dans sa masse, la première bague est en céramique, la face d'étanchéité en céramique est obtenue par dépôt d'une couche de céramique sur la partie attenante de l'organe élastique, l'organe élastique est un soufflet comportant une partie support attenante à la première bague et une embase reliées élastiquement, l'organe élastique comporte un ou plusieurs ressorts monté entre une partie support attenante à la première bague et un barillet, la douille est munie d'un filetage, coopérant avec la paroi pour une fixation étanche et amovible, le moyen de maintien comprend deux demi-coquilles fixées à la douille et au fourreau par des vis. L'invention concerne aussi un procédé de montage de l'ensemble d'étanchéité comportant les étapes suivantes visser la douille à la paroi, solidariser l'organe de fixation à l'arbre, retirer le moyen de maintien. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles la figure 1 est une vue en élévation d'une coupe axiale à travers une moitié d'un ensemble d'étanchéité selon un premier mode de réalisation, en cours de montage ou de démontage la figure 2 est une vue en élévation d'une coupe axiale à travers l'autre moitié d'un ensemble d'étanchéité selon un deuxième mode de réalisation, en cours de montage ou de démontage la figure 3 est une vue en perspective partiellement arrachée d'un fourreau. Tel que représenté aux figures 1 et 2 annexées, l'ensemble d'étanchéité à partance hydrodynamique permet d'étancher un arbre tournant (12) traversant une paroi (14) contre le passage d'un milieu fluide. Le fluide corrosif à la pression PI doit être confiné vis-à-vis du fluide ambiant ne devant pas être pollué et à la pression P2. La pression P2 est supérieure à la pression P1. La chambre annulaire (29) a le râle de chambre d'alimentation, qui est à la pression P2, à l'arrêt comme en fonctionnement. Lors de la mise en rotation sur l'arbre (12) de l'ensemble dynamique formé par le fourreau (32) et la deuxième bague (18), des discontinuités telles que des rainures ou spirales présentes à lvinterface (20, 22) pompent le fluide de la chambre d'alimentation (29), qui est elle-même alimentée au travers du filtre (54) bloqué par une vis creuse (56). L'installation d'un film de fluide de quelques microns dans l'interface (20, 22) génère un faible débit de barrage contrôlé vers le fluide à la pression P1. La disposition selon l'invention permet d'utiliser de façon optimale l'encombrement radial disponible pour la garniture, et donc une surface interfaciale (20, 22) maximale, ce qui est important pour l'installation d'un film de barrage plus efficace, entre la première (16) et la deuxième (18) bague. La partie statique est constituée par l'ensemble formé de la première bague (16) munie de la face d'étanchéité statique (20), de l'organe élastique support (26), et de la douille (28). L'organe élastique (26), selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, est un soufflet comportant une partie support (42) attenante à la première bague (16) et une embase (40) reliées élastiquement (38). Selon le mode de réalisation de la figure 1, des ressorts (44) sont montés sur un barillet (48). D'autres dispositifs non représentés prévoient un ressort unique à boudin, une rondelle ressort conique, ou une rondelle onduflex. L'étanchéité est alors assurée par un soufflet souple ou à un joint coulissant. L'étanchéité statique entre le barillet (48) ou l'embase (40) du soufflet, et la douille (28), est assurée par un joint torique, un couteau usiné sur la face arrière, un usinage grossier associé à un couple de serrage important, ou un usinage grossier associé à une pulvérisation de téflon. La liaison correspondante est effectuée par vissage. Aucun bridage axial n'est présent. L'immobilisation radiale et en rotation de la partie support (42, 46) est assurée par deux vis permettant le coulissement axial dans deux rainures réalisées dans la douille (28). La première bague (16), dite aussi contre-face statique, présente une face d'étanchéité (20) en céramique. D'autres modes de réalisation utilisent des matièriaux composites à base de résines, carbone,... Cette face peut être massive, telle que représentée, ou obtenue par dépôt sur le support (42, 46), ou encore noyée dans le support pour y être accrochée. Le maintien dans le support (42, 46) peut avoir lieu, par exemple, par l'intermédiaire de pions axiaux ou radiaux, par filetage à gros pas avec serrage dans le sens inverse au sens de rotation de l'arbre, par encliquetage ou par collage associé à un pion anti-rotation, ou encore noyée dans le support pour y être accrochée. L'étanchéité entre la première bague (16) et le support (42, 46) est assurée par un joint torique permettant aussi le centrage et l'immobilisation axiale de la bague (16) dans le support. Le moyen de fixation (24) permet le blocage de l'ensemble dynamique sur l'arbre. Des encoches (34) réalisées sur l'extrémité conique du fourreau (32) (voir figure 3) permettent par serrage de l'écrou conique (36) le blocage sur l'arbre (12) par déformation d'une partie du fourreau (32). Préférentiellement le cône sera incliné de 130 à 190 sur l'axe. Le serrage de l'écrou conique (36) sur le fourreau (32) sera effectué à l'aide d'une clé à ergots coopérant avec les logements (58). La déformation est localisée sur l'épaulement conique du fourreau (32) grâce à une gorge (60) localisée en bout d'encoche (34). L'adhérence sur l'arbre est complétée par la rugosité importante de l'alésage du fourreau (32). Un joint à serrage radial assure l'étanchéité du fourreau (32) sur l'arbre (12). L'étanchéité entre le fourreau (32) et la deuxième bague (18), dite aussi contre-face dynamique, est assurée en direction axiale par un joint torique permettant en outre le centrage, et l'immobilisation axiale de la bague (18) dans le fourreau (32). L'étanchéité radiale est assurée par un joint torique situé à l'arrière de la deuxième bague (18). Ce joint empêche l'établisement d'une pression à l'arrière de la bague (18) d'une part, et permet d'absorber les imperfections de planéité au niveau de l'appui d'autre part. Deux pions (62) assurent le maintien radial et la liaison en rotation entre le fourreau (32) et la bague (18). Ici encore, aucun bridage axial n'est nécessaire. Une 'bague (64) de matériau à bon coefficient de frottement emmanchée dans la partie supérieure de la douille (28), ainsi qu'un joint à lèvre (66) emmanché sur le fourreau (32) protègent la chambre d'alimentation (29) contre les impuretés. Le but de ce dispositif n'est pas d'isoler deux chambres de fluide à la pression P2, mais d'empêcher le passage des impuretés vers l'interface (20, 22) de la garniture. La même pression règne de chaque côté de ce dispositif. Le joint à lèvre (66) est monté avec un faible effort de pression du joint contre la bague (64). Un filtre (54) interchangeable dans la douille (28) par une gorge d'extraction est monté en amont de la chambre d'alimentation (29) et filtre ainsi le fluide à la pression P2. Le moyen de maintien (30) comprend deux demi-coquilles fixées à la douille (28) statique par quatre vis (50) et au fourreau (32) tournant par deux vis (51). Cet outillage permet donc de définir la charge élastique par la côte (e), le maintien de la charge élastique au montage, le transport en cartouche, le montage et le démontage rapides et aisés de l'ensemble en cartouche. Selon une réalisation préférentielle, tous les matériaux constitutifs de l'ensemble d'étanchéité sont inertes chimiquement, par exemple constitués uniquement de matière plastique et de céramique. Les gorges de joint sont usinées dans le matériau le plus tendre. Le matériau des joints toriques est compatible avec la nature des fluides véhiculés, leurs températures et pressions de fonctionnement. Les procédés préférentiels de montage et de démontage permettront de mieux comprendre l'invention. Au montage, l'ensemble d'étanchéité équipé d'un moyen de maintien (30) sous forme de demi-coquilles est livré en cartouche. A l'aide d'une clé en prise avec la périphérie de la douille (28) ou des demi-coquilles (30), l'ensemble d'étanchéité est vissé (52) sur la partie fixe (14). L'écrou conique (36) est à son tour bloqué avec un couple de serrage suffisant pour garantir la liaison complète entre le fourreau (32) et l'arbre (12). Les vis (50, 51) sont alors desserrées pour ôter les deux demi-coquilles de l'organe deimaintien, ou outillage (30). La garniture est ainsi prête à fonctionner. Au démontage les deux demi-coquilles de l'organe de maintien (30) sont mises en position, et les vis (50, 51) correspondantes sont serrées. L'écrou conique (36) est ensuite dévissé. La partie dynamique de la garniture est alors désolidarisée de l'arbre (12). Puis à l'aide d'une clé, la douille (28), c'est-à-dire le corps de la garniture, est dévissée de la partie fixe (14), et la garniture peut être retirée. Toutes les pièces de la garniture pourront ensuite être démontées pour décontamination et reconditionnement éventuels. Les modes de réalisation précédemment décrits peuvent subir un certain nombre de modifications sans que l'on ne sorte pour cela du cadre de protection défini par les revendications annexées. Ainsi les pressions P1 et P2, et donc le sens de barrage pourront être inversés. I1 en est de même pour les positions respectives des ensembles statiques et dynamiques. REVENDICATIONS 1. Ensemble d'étanchéité pour étancher un arbre tournant (12) traversant une paroi (14) contre le passage d'un milieu fluide, comportant une garniture qui comprend une première (16) et une deuxième bagues (18) coaxiales avec l'arbre tournant (12) et présentant une première (20) et une deuxième faces (22) frontales planes annulaires perpendiculaires à l'axe de rotation de l'arbre (12) formant des surfaces d'étanchéité annulaires, la première bague (16) qui est susceptible d'être reliée de façon étanche à la paroi (14), et qui peut coulisser dans le sens de l'axe de rotation, étant appliquée contre l'autre bague (18) par au moins un organe élastique (26), la deuxième bague (18) étant munie d'un moyen de fixation (24) susceptible de la relier en service de façon étanche à l'arbre (12), un ou plusieurs reliefs étant présentés par au moins une face annulaire d'étanchéité (20, 22), de telle sorte qu'au moyen d'un mouvement relatif des deux bagues (16, 18), le milieu fluide s'introduit entre les faces (20, 22) d'étanchéité et forme un matelas porteur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une douille (28) qui est reliée de manière étanche et en limitant une chambre annulaire (29) autour de la garniture d'une part à la paroi (14) et d'autre part à la première bague (16), et un moyen de maintien (30) amovible qui retient, avant et pendant le montage, la deuxième bague (18) dans la douille (28) de telle sorte que l'ensemble formé par la garniture, la douille (28), et le moyen de maintien (30), constitue une cartouche prête au montage. 2. Ensemble d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de fixation (24) comporte un fourreau (32), qui est lié radialement et en rotation à la deuxième bague (18) et muni sur son extrémité conique, d'encoches (34) coopérant avec un écrou (36), pour être solidaire en service à l'arbre (12) de façon amovible. 3. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tous les matériaux constitutifs de l'ensemble d'étanchéité sont inertes chimiquement. 4. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face d'étanchéité (20) de la première bague (16) est en céramique. 5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première bague (16) est en céramique, dans sa masse. 6. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face d'étanchéité (20) en céramique est obtenue par dépôt d'une couche de céramique sur la partie attenante de l'organe élastique (26). 7. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe élastique est un soufflet comportant une partie support (42) attenante à la première bague (16) et une embase (40) reliées élastiquement (38). 8. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe élastique (26) comporte un ou plusieurs ressorts (44) montés entre une partie support (46) attenante à lalpremière bague (16) et un barillet (48). 9. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la douille est munie d'un filetage (48) coopérant avec la paroi (14) pour une fixation étanche et amovible. 10. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de maintien (30) comprend deux demi coquilles fixées à la douille (28) et au fourreau (32) par des vis (50). 11. Procédé de montage d'un ensemble d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes visser la douille (28) à la paroi (14), solidariser organe de fixation (24) à l'arbre (12), retirer le moyen de maintien (30).