Brevet FR2695702A1 — publié le 19940318

JOINT D'ETANCHEITE A LABYRINTHE GAZEUX A JEU CONSTANT La présente invention se rapporte à un joint d'étanchéité à labyrinthe gazeux. Plus précisément, elle concerne un joint d'étanchéité à labyrinthe gazeux, destiné à équiper un arbre rotatif traversant un bâti fixe et comportant un premier peigne annulaire lié en rotation à l'arbre et coopérant avec un second peigne annulaire lié au bâti pour former un barrage gazeux à chicanes destiné à former un joint étanche entre deux chambres remplies de fluide, un gaz dit de barrage traversant le barrage à chicanes par l'intermédiaire d'orifices débouchant en amont et en aval du barrage. Le principe des barrages gazeux par labyrinthe et cheminement du gaz à travers une succession de chicanes axiales ou radiales est déjà largement utilisé. Cependant, les performances de ces barrages dépendent de la qualité architecturale de l'environnement des pièces statiques et dynamiques et des conditions de fonctionnement. Une optimisation maximale de tels barrages oblige les mouvements relatifs axiaux et radiaux de l'arbre par rapport au bâti fixe à être quasiment nuls, afin d'obtenir des performances acceptables et des débits de fuites minimaux. Dans le cas où les mouvements relatifs axiaux et radiaux entre arbre et bâti fixe sont importants, il faut obligatoirement que le jeu entre peigne rotatif et peigne fixe du barrage gazeux soit plus grand que les mouvements relatifs entre arbre et bâti fixe, ce qui diminue l'efficacité du barrage d'une manière très significative et dans certains cas rend cette technologie tout à fait obsolète et inadaptée. Ces déplacements relatifs peuvent avoir plusieurs causes: - différence de dilatation entre les différentes pièces constitutives, - mouvement de faux rond de l'arbre, - excentrement de l'arbre par rapport au bâti, - déplacement radial de l'arbre par rapport au bâti entre sa position statique (à l'arrêt) et sa position dynamique (en marche), - support par des paliers magnétiques, hydrauliques ou aérodynamiques. L'invention résoud ces problèmes dus aux déplacements relatifs radiaux et axiaux de l'arbre par rapport au bâti. Le joint obtenu est un joint à barrage gazeux pouvant réaliser une étanchéité auxiliaire associée à une garniture ou un presse-étoupe. I1 est réalisé par un labyrinthe axial ou radial dont le jeu de laminage reste constant quelles que soient les contraintes dues à l'environnement et les conditions de fonctionnement. De plus ce barrage à jeu constant permettant une étanchéité absolue entre les deux chambres avec faible débit s'inscrit tout à fait dans le cadre de la protection de l'environnement. Pour ce faire, conformément à l'invention, - un roulement à billes est monté serré axialement entre le premier peigne et le second peigne, ces deux peignes formant un ensemble monobloc, - le premier peigne est monté sur l'arbre par un agencement à débattement axial, - le second peigne est fixé au bâti avec un jeu de débattement radial. Les deux peignes formant un ensemble monobloc, le jeu est constant au niveau des chicanes. Le joint a donc des performances inchangées quel que soit le fonctionnement. Ce jeu peut donc être réduit ce qui entraîne une meilleure efficacité de barrage et des performances supérieures aux labyrinthes classiques. Les débits de gaz de barrage peuvent ainsi être plus faibles que dans les labyrinthes conventionnels, ce qui entraîne un gain économique important lors d'utilisation en injection. Grâce au montage avec jeu du second peigne, le joint tolère des mouvements d'arbre importants radiaux, ceci sans altérer l'efficacité du barrage. Le roulement n'étant pas chargé radialement, il peut avoir une durée de vie très longue, des vitesses très importantes. I1 ne subit presque pas d'absorption de puissance. I1 n'y a pas d'échauffement de température et donc aucun système de refroidissement annexe n'est nécessaire. I1 est graissé à vie et ne nécessite aucun entretien et aucun système de lubrification. Selon un mode de réalisation préféré, l'agencement à débattement axial est constitué d'un pion solidaire de l'arbre et logé dans une rainure longitudinale solidaire du premier peigne. Dans ce cas, avantageusement, le premier peigne est pourvu sur sa face cylindrique montée sur l'arbre d'au moins un joint torique d'étanchéité radiale. En ce qui concerne le débattement radial du second peigne, le second peigne comporte une face cylindrique intérieure au bâti présentant un jeu radial avec celui-ci, cette face étant pourvue d'au moins un joint torique d'étanchéité radiale. Quant à sa fixation, de préférence, le second peigne est fixé sur une face du bâti par des vis le traversant sans filetage et des pions avec un jeu radial supérieur audit jeu radial. De façon connu en soi, le gaz de barrage peut être du gaz aspiré ou injecté. L'invention concerne également une cartouche monobloc comportant un dispositif d'étanchéité primaire associé à un tel joint d'étanchéité secondaire. En effet grâce à sa constitution monobloc, le joint peut être monté avec une garniture primaire en une cartouche monobloc de mise en place aisée. L'invention concerne enfin un ensemble d'étanchéité comportant l'association d'un tel joint à gaz aspiré et d'un tel joint à gaz injecté et une cartouche monobloc comportant cet ensemble. Cet ensemble permet de résoudre le problème de pollution lorsque le gaz de barrage est toxique mais cependant nécessaire pour la compatibilité du fluide de procédé à étancher. L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de dessins ne représentant que des modes de réalisation préféré de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un joint conforme à l'invention dans le cas d'un barrage axial simple par aspiration pour étancher un liquide de l'atmosphère. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un joint conforme à l'invention dans le cas d'un barrage axial double par injection pour étancher un liquide de l'atmosphère. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un joint conforme à l'invention dans le cas d'un barrage axial double par aspiration pour étancher un gaz de procédé de l'atmosphère. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un joint conforme à l'invention dans le cas d'un barrage radial double par injection pour étancher un liquide de l'atmosphère. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un joint conforme à l'invention dans le cas d'un barrage radial double par injection pour étancher un gaz de procédé de l'atmosphère. La figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un joint conforme à l'invention dans le cas d'un barrage axial double par injection pour étancher un gaz de procédé de l'atmosphère, ce joint étant associé à une garniture primaire d'étanchéité aérodynamique. La figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'un joint conforme à l'invention dans le cas d'un barrage radial simple par aspiration pour étancher un gaz de procédé de l'atmosphère, ce joint étant associé à une garniture primaire d'étanchéité aérodynamique. La figure 8 est une vue en coupe longitudinale d'un joint conforme à l'invention dans le cas d'un barrage axial simple par aspiration pour étancher un liquide de l'atmosphère, ce joint étant associé à une garniture primaire d'étanchéité humide. La figure 9 est une vue en coupe longitudinale d'une cartouche monobloc conforme à l'invention dans le cas d'un barrage axial simple par aspiration pour étancher un gaz de procédé de l'atmosphère, ce joint étant associé à une garniture primaire d'étanchéité aérodynamique. La figure 10 est une vue en coupe longitudinale d'un joint conforme à l'invention dans le cas d'un barrage axial double par injection pour étancher un gaz de procédé de l'atmosphère, selon une autre variante de réalisation. La figure 11 est une vue schématique représentant l'association d'un joint conforme à l'invention à gaz de barrage injecté et d'un joint conforme à l'invention à air de barrage aspiré. Selon toutes les variantes décrites, la chambre 6 est à l'atmosphère. Sur la figure 1, une chemise 14 est solidaire de l'arbre 1 rotatif. Sur cette chemise 14, un premier peigne 3 est monté lié en rotation par un agencement à débattement axial de plusieurs millimètres constitué d'au moins un pion 12 solidaire de l'arbre 1 et logé dans une rainure longitudinale 13 d'un déflecteur 15 solidaire du premier peigne 3 par vissage. Peigne 3 et déflecteur 15 sont pourvus d'un joint torique d'étanchéité 8 de diamètre de tore compris entre 3 et 6 mm. Le premier peigne 3 comporte des chicanes axiales 16 dans lesquelles sont logées les dents du second peigne 4 qui est lui lié au bâti fixe 2. Un roulement à billes 7 est monté entre les peignes 3,4 serré axialement, pour sa bague intérieure par un écrou 15' vissé sur le premier peigne 3 et pour sa bague extérieure par un anneau 17 vissé sur le second peigne 4. Les faces cylindriques des peignes 3,4 proches du bâti 2 présente un jeu J1 relativement important qui est comblé par un joint torique d'étanchéité 9 de diamètre de tore compris entre 5 et 7 mm logé dans le second peigne 4. Ce joint torique 9 permet à l'ensemble monobloc de pouvoir encaisser des déplacements radiaux par rapport au bâti fixe 2 jusqu'à environ 1 mm, tout en conservant l'étanchéité entre le fluide de procédé et l'atmosphère. Ce peigne 4 est fixé à la face frontale du bâti par des vis 10 le traversant sans filetage et des pions 11, avec un léger jeu de montage axial j3 permettant le débattement radial de l'ensemble monobloc par rapport au bâti 2, de l'ordre de quelques dixièmes de mm au maximum, et un jeu de débattement radial J2 supérieur à J1. Le second peigne 4 est pourvu d'au moins un orifice 18 allant de sa surface externe vers l'entrée 19 du labyrinthe à chicanes. Le fonctionnement d'un tel joint d'étanchéité est le suivant. Ce joint est monté en aval d'une garniture d'étanchéité primaire (qui serait disposée sur la gauche de la figure 1). Les fuites du liquide de la chambre 5 interviennent sous forme liquide et sont évacuées par un orifice 20, déviées par le déflecteur 15 et sous forme d'aérosols et de vapeurs et sont aspirées par l'orifice 21 avec l'air aspiré par l'orifice 18 qui constitue le gaz de barrage traversant les chicanes 16. Cet air passe donc par l'orifice 18, par les chicanes 16 du labyrinthe et par le jeu J1 puis par l'orifice 21. Seules les différences de constitution seront décrites dans les figures suivantes, les éléments identiques n'étant pas repris. La figure 2 représente un labyrinthe axial double à gaz de barrage injecté pour étancher un liquide. Le premier peigne 3 comprend deux séries de chicanes 16' et 16" dans lesquelles sont logées les dents du second peigne 4 constitué de deux parties vissées l'une à l'autre. Ce peigne 4 est pourvu de deux joints d'étanchéité toriques 9 comblant le jeu J1. Entre ces joints débouche un orifice 18' d'injection du gaz de barrage qui traverse le second peigne 4 pour arriver à l'entrée 19' du labyrinthe à chicanes, constituée d'une gorge de répartition. A la sortie du labyrinthe après avoir traversé la première série de chicanes 16', il est refoulé par un orifice 22 réalisé dans le second peigne 4. Une partie du gaz de barrage passe également par la seconde série de chicanes 16" et est évacué par l'orifice 21 avec les aérosols et les vapeurs provenant des fuites de liquide de la chambre 5.Les fuites liquides sont quant à elles évacuées par l'orifice 20. La figure 3 représente également un labyrinthe axial double mais ce joint est destiné à étancher un gaz de procédé situé dans la chambre 5. I1 ne comporte donc pas de déflecteur et la fuite de gaz de procédé entre dans le labyrinthe par la rainure 13, passe par la seconde série de chicanes 16" et est évacué par l'orifice 21' entre les deux joints 9 du second peigne 4 avec l'air aspiré par l'orifice 18 et qui traverse la première série de chicanes 16'. La figure 4 représente un joint à labyrinthe radial double pour étancher un liquide. Les peignes 3,4 sont en plusieurs parties vissées ou bloquées par coopération de formes et constituent deux séries de chicanes 16',16". Le gaz de barrage est injecté par l'orifice 18' entre les deux joints toriques 9 et entre dans le labyrinthe. Une partie de ce gaz passe par la première série de chicanes 16' et est évacué par l'orifice 21 avec les aérosols et les vapeurs provenant des fuites du liquide de la chambre 5 et une autre partie de ce gaz passe par la seconde série de chicanes 16" et est refoulé à l'atmosphère par l'orifice 22. La figure 5 représente un joint analogue pour étancher un gaz de procédé et ne comporte donc pas de déflecteur, mais le principe est totalement identique et n'est donc pas redécrit. Sur la figure 6 est également représentée la garniture d'étanchéité primaire, ici une garniture aérodynamique connue pour étancher un gaz de procédé. Cette garniture comprend une bague rotative 23 et une bague fixe 24 pressées l'une contre l'autre par ressort 25 et réalisant l'interface d'étanchéité primaire. Le joint d'étanchéité à labyrinthe comprend deux séries de chicanes 16',16" axiales et le gaz de barrage est injecté par l'orifice 18' entre les deux joints toriques 9. Une partie de ce gaz passe par la première série de chicanes 16' et est refoulé par l'orifice 22 et une autre partie de ce gaz passe par la seconde série de chicanes 16" et est évacué via la rainure 13 par l'orifice 21 avec la fuite de gaz de procédé. Selon la figure 7, est utilisé un joint à labyrinthe radial simple. L'air est aspiré par l'orifice 18, passe dans les chicanes 16 radiales et est évacué par l'orifice 21 avec les fuites de gaz de procédé en aval de la garniture aérodynamique d'étanchéité primaire à bagues 23,24. La figure 8 représente l'association d'une garniture d'étanchéité humide primaire pour liquide avec un joint à labyrinthe du type de celui décrit sur la figure 1. Les fuites liquides sont récupérées par l'orifice 20 et les aérosols et les vapeurs sont évacués par l'orifice 21 avec l'air de barrage aspiré par l'orifice 18. La figure 9 représente une cartouche monobloc conforme à l'invention dans le cas d'un barrage axial simple par aspiration pour étancher un gaz de procédé de l'atmosphère, le joint étant associé à une garniture primaire d'étanchéité aérodynamique. Cette cartouche constitue un organe monobloc pouvant être monté simplement et directement pour former une garniture d'étanchéité complète. La garniture primaire est du type aérodynamique avec ses bagues 23,24. Le joint à labyrinthe est à chicanes 16 axiale simple. L'air est aspiré par l'orifice 18, passe dans les chicanes 16 et est évacué par l'orifice 21 avec les fuites de gaz de procédé. L'ensemble garniture primaire et joint à labyrinthe secondaire est logé sur une chemise 30 interne et dans un boîtier 31 externe pour former un organe monobloc. Le pion 12 est donc solidaire de la chemise interne 30 et le joint torique 8 disposé entre le peigne 3 et cette chemise 30. L'orifice 21 est réalisé dans le boîtier externe 31 et les joints toriques 9 disposés entre le second peigne 4 et le boîtier externe 31. L'on retrouve les jeux J1, J2 et j3 entre le second peigne 4, les vis 10 et le boîtier externe 31. Pour le montage sur arbre et bâti, la chemise interne 30 comporte un joint d'étanchéité torique 32 et vient se loger sur un épaulement de l'arbre où il est bloqué par un agencement d'écrou et entraîné par un pion d'entraînement 50. Le boîtier externe 31 comporte deux joints d'étanchéité toriques 33 de chaque côté de l'orifice 21 et est fixé au bâti par vissage ou équivalent grâce aux alésages 34. La figure 10 représente une autre variante de réalisation du joint à labyrinthe dans le cas de chicanes axiales doubles. Les deux séries de chicanes 16', 16" sont axiales mais alignées radialement. Le gaz de barrage est injecté par l'orifice 18' et traverse le second peigne 4 pour venir entrer dans le labyrinthe entre les deux séries de chicanes 16',16". Une partie de ce gaz passe par la première série de chicanes 16' et via la rainure 13 est évacuée par l'orifice 21 avec les fuites de gaz de procédé. L'autre partie de ce gaz passe par la seconde série de chicanes 16" et est refoulée par l'orifice 22. Selon toutes ces variantes, on obtient un joint à labyrinthe à jeu de chicanes constant, tout déplacement relatif radial ou axial étant encaissé par les jeux J1 et J2 et par la translation du pion 12 dans la rainure 13. Ces joints permettent également une récupération totale de la fuite du fluide à étancher et une étanchéité absolue vis à vis de l'air ambiant. Dans le cas d'une injection de gaz de barrage au niveau du labyrinthe, la fuite de fluide de procédé est récupérée mélangé à un volume minimum de gaz de barrage et la fuite de gaz de barrage vers l'atmosphère est également minimale. Dans le cas d'une aspiration au niveau de l'atmosphère, le gaz de procédé ou les aérosols et les vapeurs sont récupérés mélangés à un volume minimal d'air. Si le gaz de barrage est toxique et n'est donc pas compatible avec l'air et s'il est cependant nécessaire pour la compatibilité du fluide de procédé à étancher, l'invention propose d'associer un tel joint à air aspiré et un tel joint à gaz injecté éventuellement en une cartouche monobloc pour former un ensemble d'étanchéité. Cette solution est schématisée sur la figure 11. Un joint à labyrinthe 40 à gaz de barrage injecté est monté en amont d'un autre joint à labyrinthe 41 à air aspiré. Le gaz de barrage est donc injecté selon la flèche 42. Une partie de ce gaz passe par la première série de chicanes et est évacué en 43 avec la fuite de gaz de procédé. L'autre partie de ce gaz passe par la seconde série de chicanes et est refoulé en 44 où il est traité comme une fuite par le joint à labyrinthe 41. L'air est aspiré en 45 et est évacué en 46 avec le gaz de barrage. Ainsi il n'existe aucune possibilité de fuite de gaz de procédé ou de gaz de barrage vers l'atmosphère. Les deux joints 40, 41 peuvent être montés dans un boîtier unique en une cartouche monobloc selon le principe décrit en référence à la figure 9. REVENDICATIONS 1) Joint d'étanchéité à labyrinthe gazeux, destiné à équiper un arbre (1) rotatif traversant un bâti fixe (2) et comportant un premier peigne annulaire (3) lié en rotation à l'arbre (1) et coopérant avec un second peigne annulaire (4) lié au bâti (2) pour former un barrage gazeux à chicanes destiné à former un joint étanche entre deux chambres (5,6) remplies de fluide, un gaz dit de barrage traversant le barrage à chicanes par l'intermédiaire d'orifices débouchant en amont et en aval du barrage, joint caractérisé en ce que - un roulement à billes (7) est monté serré axialement entre le premier peigne (3) et le second peigne (4), ces deux peignes formant un ensemble monobloc - le premier peigne (3) est monté sur l'arbre (1) par un agencement à débattement axial, - le second peigne (4) est fixé au bâti (2) avec un jeu de débattement radial (J1,J2). 2) Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agencement à débattement axial est constitué d'un pion (12) solidaire de l'arbre (1) et logé dans une rainure longitudinale (13) solidaire du premier peigne (3). 3) Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier peigne (3) est pourvu sur sa face cylindrique montée sur l'arbre (1) d'au moins un joint torique (8) d'étanchéité radiale. 4) Joint selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second peigne (4) comporte une face cylindrique intérieure au bâti (2) présentant un jeu radial (J1) avec celui-ci, cette face étant pourvue d'au moins un joint torique (9) d'étanchéité radiale. 5) Joint selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second peigne (4) est fixé sur une face du bâti (2) par des vis (10) le traversant sans filetage et des pions (11) avec un jeu radial (J2) supérieur audit jeu radial (J1). 6) Joint selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de barrage est du gaz aspiré. 7) Joint selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz de barrage est du gaz injecté. 8) Cartouche monobloc comportant un dispositif d'étanchéité primaire associé à un joint d'étanchéité secondaire conforme à l'une des revendications précédentes. 9) Ensemble d'étanchéité comportant l'association d'un joint conforme à la revendication 6 et d'un joint conforme à la revendication 7. 10) Cartouche monobloc comportant un ensemble conforme à la revendication 9.