Brevet FR2697598A1 — publié le 19940506

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE L'ENTREE DE PARTICULES ET DE POLLUANTS SOLIDES La présente invention concerne un dispositif de protection contre l'entrée des particules et autres polluants solides dans une chambre de palier d'arbre immergée dans un fluide. On connaît de nombreux dispositifs de protection du genre décrit ci-dessus, en particulier pour assurer l'isoler ment aux polluants entre la chambre de pression d'une pompe et le rotor du moteur électrique de cette pompe. Lorsque le rotor du moteur électrique tournant dans le circuit de fluide est isolé du stator de façon absolument étanche par un tube d'entrefer, le dispositif de protection n'a pas besoin de résister à de fortes surpressions mais il doit autoriser un remplissage aisé de la cage rotorique à l'intérieur du tube d'entrefer et laisser passer de faibles débits de liquide pour assurer l'équilibre de pression entre la chambre de rotor et la chambre de pompe lorsque la pression de refoulement de la pompe augmente ou diminue, ou bien lorsque la température du fluide à l'intérieur de la chambre de pompe varie.Le passage de faibles débits de liquide d'équilibrage de pression doit s'effectuer sans que les particules et autres polluants solides ne puissent parvenir dans la chambre de rotor qui, dans les applications les plus favorables, n'a pas d'autres passages de communication avec le circuit de pompage que le passage de très faible section et de forme générale annulaire qui est susceptible de s'ouvrir entre le joint d'étanchéité et la surface cylindrique de l'arbre du rotor. Des solutions de joint annulaire interposé entre un alésage d'une coquille annulaire de support du palier et la surface extérieure cylindrique de l'arbre existent, mais elles ne paraissent pas donner satisfaction à l'heure actuelle car les circulateurs d'eau dont le rotor ou rouet de pompe est entraîné par un moteur électrique à tube d'entrefer atteignent maintenant des durées de vie de 10 à 20 ans de service partiel correspondant à pratiquement 10 ans de service continu sans panne. L'expérience a montré que les dispositifs actuels connus de protection contre l'entrée de particules et de polluants solides appliqués aux pompes entraînées par des moteurs électriques à tube d'entrefer ne présentent pas des durées de maintien en service suffisamment longues pour correspondre aux durées de vie actuelles moyennes sans incidents, des pompes et circulateurs des nouvelles générations. L'un des buts de la présente invention est précisément de proposer un dispositif de protection contre l'entrée de particules et autres polluants solides, particulièrement adapté aux circulateurs à moteur électrique à tubes d'entrefer et qui assure des durées de fonctionnement sans incident plus longues et correspondant aux durées de vie de ces moteurs. A cet effet, selon l'invention, le dispositif de protection consiste en un joint annulaire élastique à lèvre interposé entre un alésage intérieur d'une coquille de support du palier et la surface extérieure cylindrique de l'arbre à la sortie du palier, ladite lèvre étant constituée par un rétrécissement progressif de l'épaisseur du joint depuis une zone périphérique de rétrécissement jusqu'à une surface de portée de joint de faible largeur en contact permanent avec l'arbre et la géométrie et la dureté (Shore) de la lèvre du joint sont choisies, au moins au voisinage de la surface terminale en contact avec l'arbre, de manière telle qu'en l'absence de différence de pression de part et d'autre du joint, il s'établisse un contact permanent entre la surface terminale intérieure de ladite lèvre et la surface extérieure cylindrique de l'arbre et que, dès qu'une faible différence de pression (de l'ordre du millibar par exemple) existe entre les deux côtés du joint annulaire, la partie terminale de la lèvre soit susceptible de se déplacer ou de se déformer pour ouvrir un passage de compensation de pression par écoulement de fluide entre la surface intérieure de ladite lèvre et la surface cylindrique extérieure de l'arbre. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le joint annulaire présente une partie de lèvre intérieure à grande flexibilité, qui est reliée à une partie périphérique de lèvre par une partie de liaison présentant sur au moins l'une de ses deux faces une entaille annulaire réduisant la section de liaison entre la partie de lèvre intérieure et la partie périphérique de lèvre. La partie de lèvre du joint annulaire est reliée à sa périphérie extérieure à une partie annulaire de talon, de plus forte épaisseur, et qui est engagée dans l'alésage intérieur de la coquille de support de palier.La partie annulaire de talon peut présenter une surface annulaire, en saillie par rapport à la face du joint relativement plane qui fait face au palier, cette surface annulaire en saillie étant susceptible d'être engagée entre l'alésage intérieur de coquille de palier et une surface cylindrique extérieure, en saillie avant du palier. Lorsque le dispositif de protection selon l'invention est appliqué à une pompe entraînée par un moteur électrique à tube d'entrefer raccordé de façon étanche à une coquille avant de palier en forme de manchon prolongé par un flasque fermant la chambre de rotor de pompe et dont la périphérie se raccorde de façon étanche au corps de pompe renfermant le rotor, ladite partie de manchon de la coquille avant de palier comporte, entre le manchon de palier et le flasque, un manchon de prolongement du manchon de palier et dont l'alésage intérieur reçoit la partie périphérique extérieure dudit joint annulaire à lèvre en provoquant un serrage élastique de retenue de cette partie périphérique, la lèvre dudit joint annulaire venant en contact avec la surface extérieure cylindrique de l'arbre de pompe entre le rotor de pompe et le palier avant de la pompe, pour isoler ce palier avant et l'ensemble du rotor de moteur, de la chambre de rotor, à l'encontre de toute pénétration de particules en provenance de la chambre de rotor de pompe. Le palier avant d'arbre de pompe vient en saillie avant par rapport au manchon de la coquille de palier, de manière à ménager, entre cette partie en saillie du palier d'arbre et le prolongement de manchon, un logement annulaire apte à recevoir au moins une partie d'un talon annulaire dudit joint annulaire. Le joint annulaire destiné au dispositif de protection selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte, sur l'une de ses faces radiales annulaires, un talon annulaire périphérique et, sur l'autre face radiale annulaire, approximativement au tiers à partir de sa surface de portée intérieure, une entaille annulaire propre à donner de la flexibilité à la partie terminale annulaire intérieure de la lèvre. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé, dans lequel la figure 1 unique représente, en vue fragmentaire à grande échelle, un palier d'arbre de rotor de pompe isolé par le dispositif de protection selon l'invention, du rotor de pompe proprement dit. Le fragment de pompe représenté sur la figure unique fait apparaître le rotor ou rouet de pompe proprement dit 1, qui est relié à un arbre d'entraînement 2 par une liaison à clavette transversale 3 et à crochets élastiques 4 engagés dans une rainure 5 de l'arbre 2. Cet arbre 2, réalisé de préférence en un matériau inoxydable au contact du liquide véhiculé par la pompe, par exemple en acier inoxydable ou en céramique, traverse un premier palier ou palier avant 6 réalisé sous la forme d'un palier lisse en un matériau ne subissant pas de corrosion, même de friction au contact de l'arbre, par exemple en graphite. L'arbre 2 est rendu solidaire, au-delà d'une butée axiale 7, du rotor 8 en tôles magnétiques et à cage d'écureuil d'un moteur électrique à stator 9. Le palier lisse 6, de forme générale annulaire, est monté serré dans l'alésage cylindrique 10 d'un manchon 11 d'une coquille 12 de support de palier, formée monobloc en tôle et raccordée à sa périphérie (non représentée) de façon étanche au corps de pompe 13. La surface extérieure cylindrique 14 du manchon 12 sert d'appui à un joint d'étanchéité annulaire torique 15 interposé entre le manchon 11 et un tube d'entrefer 16 réalisé en acier inoxydable non magnétique sous une faible épaisseur (généralement 0,4 mm) et interposé dans l'entrefer du moteur entre les tôles du stator 9 (sur lesquelles il s'appuie) et les tôles du rotor 8 (avec lesquelles il ne doit pas être en contact car le rotor 8 tourne tandis que le tube 16 est fixe). Le tube d'entrefer 16 s'appuie par ailleurs sur la surface extérieure cylindrique d'un manchon de prolongement 17 reliant le manchon de palier 11 au flasque 18 de raccordement étanche de la coquille de palier 12 au corps de pompe 13. Le palier lisse 6 présente au moins un passage 19 en forme de rainure axiale périphérique ménagée entre le palier 6 et l'alésage 10 pour permettre la circulation de liquide autour du palier 6, afin de refroidir celui-ci au cours de la rotation de l'arbre 2 à grande vitesse avec friction sur le palier lisse. Le problème à résoudre dans les pompes telles que les circulateurs de chauffage central, destinées à assurer un service continu de longue durée (plusieurs années, même actuellement plus d'une dizaine d'années), est d'éviter la pénétration des particules et autres polluants solides véhiculés par le liquide pompé par la pompe, vers les paliers de rotor (le palier avant 6 représenté et également le palier arrière non représenté) et vers le rotor 8 du moteur électrique, tous logés dans le tube d'entrefer 16. On propose pour cela, selon l'invention, d'utiliser un joint annulaire élastique à lèvre 20 qui est interposé entre l'alésage intérieur 21 du manchon de prolongement 17 de la coquille de palier 12 et la surface extérieure cylindrique de l'arbre 2, à la sortie du palier 6, avant la rainure 5 d'accrochage du rotor de pompe 1. La lèvre 22 du joint 20 est constituée par un rétrécissement progressif de l'épaisseur du joint annulaire depuis une zone périphérique 23 de rétrécissement jusqu'à une surface annulaire 24 de portée du joint sur la surface cylindrique lise de l'arbre 2. Cette surface de portée 24 présente une faible largeur, de l'ordre du mm, qui peut augmenter légèrement à la suite de l'usure progressive de la surface de portée du joint au cours du temps. Le joint 20 est généralement réalisé en un matériau élastomère qui présente une grande élasticité propre lui permettant de rester appliqué sur la surface cylindrique extérieure de l'arbre 2 malgré une certaine usure progressive de la surface de portée 24, cette surface de portée pouvant atteindre, en fin d'usure admissible, une largeur de 1,5 à 2 mm.Le joint 20 comporte une partie de lèvre intérieure ou partie terminale 25 à grande flexibilité et qui est reliée à sa périphérie par une partie de liaison présentant, sur au moins l'une de ses faces, une entaille annulaire 26 qui diminue la section de liaison entre la partie de lèvre intérieure 25 et la partie périphérique ou de talon 27 du joint à lèvre 20. La partie périphérique 27 comporte un talon 28 de plus forte épaisseur et qui est engagé de façon étanche (et plus ou moins à friction ou à force) dans l'alésage 21 du manchon de prolongement 17. Le talon 28 comporte une surface annulaire 29 en saillie par rapport à la face de joint 30 relativement plane qui fait face au palier 6. Cette surface annu laird 29 est en fait susceptible de venir s' engager dans un logement annulaire 33 ménagé entre l'alésage 21 et la surface cylindrique extérieure en saillie 31 de l'avant du palier 6, lorsque le joint à lèvre 20, monté serré par sa surface extérieure annulaire 32 dans l'alésage 21, est poussé plus avant vers la droite de la figure. On va maintenant expliquer le fonctionnement du dispositif de protection contre l'entrée de particules et autres polluants solides, constitué par la combinaison du joint annulaire à lèvre 20, du flasque avant 12 et de l'arbre 2. Le rotor 1 tourne à l'intérieur du corps de pompe 13 dans une chambre de rotor 34 reliée à au moins une conduite de refoulement non représentée. Le rotor 1 est relié à une conduite d'aspiration de liquide la et, lorsqu'il est en rotation, il crée, par effet centrifuge, une surpression dans la chambre de rotor 34. Le rotor 8 du moteur électrique et ses paliers (seul le palier avant 6 est représenté) sont logés dans une chambre de rotor de moteur 35 qui baigne dans le liquide refoulé par la pompe mais qui est isolée de la chambre de rotor de pompe 34 par le joint à lèvre 20.Dès qu'une légère surpression (de l'ordre du millibar, par exemple) existe dans la chambre de pompe 34 par rapport à la chambre de moteur 35, la lèvre 25 du joint 20 se déplace selon la flèche 36 pour ouvrir un passage annulaire de très faible hauteur (de l'ordre du 1/100 de mm) et de relativement grande longueur (correspondant à la largeur de la surface annulaire 24 qui est de 1 à 2 mm) entrela surface annulaire 24 et la surface extérieure cylindrique de l'arbre 2.Ce passage annulaire permet un écoulement de liquide à très faible débit qui compense la légère différence de pression existant entre les chambres 34 et 35, mais par contre ne laisse pas passer les particules et autres polluants solides qui se déplacent dans la chambre 34 pour être évacués vers le refoulement de la pompe ou pour se déposer (en très faible quantité) sur la surface intérieure de cette chambre 34. Les particules qui pourraient s'accumuler à l'entrée du passage sous la surface 24 sont évacuées lors de l'inversion du débit (de la chambre 35 à la chambre 34), du fait de la rotation de. l'arbre 2 qui tend à les repousser en périphérie.On doit considérer, en outre, que le fluide qui adhère aux surfaces annulaires respectives 24 du joint 20 et de la surface cylindrique de l'arbre 2, constitue un lubrifiant qui s'oppose à l'usure rapide de la surface 24 du joint 20 au cours de la rotation de l'arbre 2 et à la pénétration des particules solides. Si au cours de la rotation de la pompe, il se produit un échauffement du liquide contenu dans la chambre 35 et qui circule à travers des passages, tels que le passage 19, autour du rotor 8 chaud et des paliers (tels que le palier 6) chauffés par la rotation de la pompe, la pression régnant dans la chambre 35 augmente par rapport à celle de la chambre 34 et la partie de lèvre 25 se déplace dans le sens opposé à la flèche 36 pour autoriser une légère fuite de liquide de compensation de pression de la chambre 35 à la chambre 34. On doit comprendre que les déplacements de la lèvre 25 selon la flèche 36 (ou l'opposé) ne sont nécessaires qu'en cas de variation rapide du différentiel de pression entre les chambres 34 et 35, par exemple au démarrage de la pompe.Dans le cas d'une variation lente, la très faible fuite existant sous le contact entre la surface annulaire 24 du joint 20 et l'arbre 2, suffit à réaliser la compensation de pression qui nécessite des débits infimes correspondant à la compressibilité du liquide dans la chambre 35 et à la dilatation correspondante du tube d'entrefer mince 16. En ce qui concerne les phases limites de remplissage et de purge, le comportement du dispositif de protection selon l'invention est le suivant. Après la mise en place d'un bloc rotorique neuf ou de rechange, et dans tous les cas sec, la chambre de rotor de pompe 34 est mise sous pression de liquide, en l'occurrence d'eau, pour un circulateur de chauffage. La pression du liquide régnant dans la chambre de rotor de pompe 34 fait s'incliner la partie terminale 25 de la lèvre 22 franchement vers la droite de la figure, ce qui ouvre un orifice annulaire de remplissage de section importante. Sur la face frontale extérieure du moteur, est en général prévu un bouchon de purge que l'on peut dévisser afin de permettre l'échappement de l'air contenu dans la chambre de rotor de moteur 35 au fur et à mesure de l'entrée de l'eau et refermer après purge complète. Ce bouchon (non représenté ici) sert également à dégommer le moteur en cas de grippage des paliers et à vérifier son sens de rotation. S'il n'y a pas d'orifice de purge, ou si ce dernier n'est pas ouvert, une quantité d'eau suffisante pour assurer la lubrification des paliers et le refroidissement du rotor 8 pénètre de toute façon dans la chambre de moteur 35 dont la purge de l'air peut s'effectuer lentement par dissolution de ce dernier dans le liquide nouveau pénétrant dans la chambre 35, une telle solution risquant néanmoins d'accélérer l'usure de la surface de friction 24.On doit comprendre que, lorsque l'on ouvre l'orifice de purge du rotor 8 du moteur électrique, moteur électrique arrêté, par exemple pour dégommer le moteur ou bien moteur en marche, pour évacuer de l'air du circuit de chauffage qui aurait pénétré dans la chambre 35, le joint à lèvre 20 fonctionne utilement en étranglement, évitant une trop grande fuite d'eau pendant cette opération de dégommage ou de purge de l'air. Si l'on souhaite, par exemple, stocker à sec un moteur de pompe muni du dispositif de protection selon l'invention, après démontage du moteur de pompe en service avec la chambre 35 remplie d'eau, il suffit de déposer provisoirement le joint 20 pour que l'eau de la chambre de rotor 35 s'écoule par les passages 19 et, après vidange de l'eau de cette chambre 35, de remettre en place le joint annulaire 20. Dans le cas où il est nécessaire de bien assujettir le joint 20 en position, on comprend qu'il est possible d'engager son talon 28 dans la chambre annulaire 33 dont l'arrondi de fond 37 correspond sensiblement à un arrondi 38 ménagé sur le talon 28 du joint 20. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de protection contre l'entrée de particules et autres polluants solides dans une chambre de palier d'arbre immergé dans un fluide, caractérisé en ce qu'il consiste en un joint annulaire élastique à lèvre (20) interposé entre un alésage intérieur (21) d'une coquille (12) de support de palier et la surface extérieure cylindrique de l'arbre (2) à la sortie du palier (6), ladite lèvre (22) étant constituée par un rétrécissement progressif de l'épaisseur du joint depuis une zone périphérique (23) de rétrécissement jusqu'à une surface de portée de joint (24) de faible largeur en contact permanent avec l'arbre (2) et en ce que la géométrie et la dureté (Shore) de la lèvre (22) du joint sont choisies, au moins au voisinage de la surface terminale (24) en contact avec l'arbre (2), de manière telle qu'en l'absence de différence de pression de part et d'autre du joint (20), il s'établisse un contact permanent entre la surface terminale intérieure (24) de ladite lèvre (22) et la surface extérieure cylindrique de l'arbre (2) et que, dès qu'une faible différence de pression (de l'ordre du millibar par exemple) existe entre les deux côtés du joint annulaire, la partie terminale (25) de la lèvre soit susceptible de se déplacer ou de se déformer pour ouvrir un passage de compensation de pression par écoulement de fluide entre la surface intérieure (24) de ladite lèvre (22) et la surface cylindrique extérieure de l'arbre (2). 2.- Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint annulaire (20) présente une partie de lèvre intérieure (25) à grande flexibilité, qui est reliée à une partie périphérique de lèvre (27) par une partie de liaison présentant, sur au moins l'une de ses deux faces, une entaille annulaire (26) diminuant la section de liaison entre la partie de lèvre intérieure (25) et la partie périphérique de lèvre (27). 3.- Dispositif de protection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie de lèvre du joint annulaire (22, 25) est reliée à sa périphérie à une partie annulaire de talon (28), de plus forte épaisseur, et qui est engagée dans l'alésage intérieur (21) de la coquille (12) de support de palier. 4.- Dispositif de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie annulaire de talon (28) présente une surface annulaire (29), en saillie par rapport à la face du joint relativement plane (30) qui fait face au palier (6), cette surface annulaire en saillie étant susceptible d'être engagée entre l'alésage intérieur (21) de coquille de palier et une surface cylindrique extérieure (31), en saillie avant du palier (12). 5.- Application du dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, à une pompe entraînée par un moteur électrique à tube d'entrefer raccordé de façon étanche à une coquille avant de palier en forme de manchon prolongé par un flasque fermant la chambre de rotor de pompe et dont la périphérie se raccorde de façon étanche au corps de pompe renfermant le rotor de pompe, caractérisée en ce que ladite partie de manchon (11) de la coquille avant de palier (12) comporte, entre le manchon de palier (11) et le flasque (18), un manchon de prolongement (17) du manchon de palier (11) et dont l'alésage intérieur (21) reçoit la partie périphérique extérieure (32) dudit joint annulaire à lèvre (20) en provoquant un serrage élastique de retenue de cette partie périphérique, la lèvre (22) dudit joint annulaire venant en contact avec la surface externe cylindrique de l'arbre de pompe (2) entre le rotor de pompe (1) et le palier avant (6) de la pompe, pour isoler ce palier avant (6) et l'ensemble du rotor de moteur (en 35), de la chambre de rotor (34), à l'encontre de toute pénétration de particules en provenance de la chambre de rotor de pompe (34). 6.- Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que le palier avant (6) d'arbre de pompe (2) vient en saillie avant par rapport au manchon (11) de la coquille de palier (12), de manière à ménager, entre cette partie en saillie du palier d'arbre (6) et l'alésage (21) du manchon de prolongement (17), un logement annulaire (33) apte à recevoir au moins une partie d'un talon annulaire (28) dudit joint annulaire (20). 7.- Joint annulaire destiné au dispositif de protection selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, sur l'une (30) de ses faces radiales annulaires, un talon annulaire périphérique (28) et, sur l'autre face radiale annulaire, approximativement au tiers à partir de sa surface de portée intérieure (24), une entaille annulaire (26) propre à donner de la flexibilité à la partie terminale annulaire intérieure (25) de la lèvre (22).