Brevet FR2708069A1 — publié le 19950127

Le secteur technique de la présente invention est celui des joints d'étanchéité entre deux pièces soumises à une forte pression de fluide liquide ou gazeux. Dans ce type d'assemblage, il est quelque fois nécessaire d'immobiliser une pièce par rapport à une autre, puis autoriser leur déplacement commun ou permettre leur translation isolément à l'aide ou à 1' encontre de la pression ambiante. Un mécanisme de blocage mécanique est souvent utilisé pour assurer l'immobilité d'une part, et un système d'étanchéité est prévu pour interdire le passage de fluide d'autre part. Le but de la présente invention est de concevoir un joint d'étanchéité assurant non seulement l'étanchéité, mais le blocage de deux pièces pour assurer entre elles une pression de contact supérieure à la pression à étancher. A cet effet, l'invention propose un joint d'étanchéité statique entre un premier élément engagé dans un second élément, immobiles l'un par rapport à l'autre, les deux éléments étant montés coulissants à l'intérieur d'un logement pratiqué dans un support et soumis simultanément à une pression élevée de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend dans un logement borgne délimité entre les deux éléments d'une part une première bague élastique appliquée sur le premier élément et une seconde bague élastique insérée dans le second élément, ces bagues élastiques étant disposées de manière concentrique et espacées l'une de l'autre, et d'autre part un piston soumis à la pression de fluide présentant une tige engagée entre les deux bagues élastiques, les bagues étant comprimées contre le fond du logement par le piston sous l'action de la pression. Le joint peut comprendre une première bague métallique appliquée sur le premier élément et une seconde bague métallique insérée dans le second élément, les bagues métalliques étant disposées entre le fond du logement et les bagues élastiques de manière concentrique l'une par rapport à l'autre. Les bagues métalliques sont espacées l'une de l'autre, la tige du piston s'engageant entre celles-ci. Le piston peut être maintenu dans le logement à l'aide d'un écrou vissé au niveau de l'extrémité ouverte du logement. La tige du piston présente une hauteur inférieure à la profondeur du logement pour délimiter la course du piston. Les bagues élastiques peuvent être de hauteur identique. La première bague élastique présente une épaisseur supérieure à celle de la seconde bague. Les bagues élastiques sont réalisées dans un matériau compatible avec le fluide à étancher, par exemple un caoutchouc. Les bagues métalliques peuvent présenter des dimensions identiques à celles des bagues élastiques respectives. Les bagues élastiques peuvent être précontraintes par le piston pour réaliser l'étanchéité basse pression entre les deux éléments. Un tout premier résultat de l'invention réside dans le fait que l'étanchéité et le blocage des deux pièces sont réalisés simultanément par un élément unique. Un autre avantage réside dans le fait que ctest la pression du fluide qui commande le niveau d'étanchéité et de blocage des deux pièces. Un autre avantage encore réside dans la simplicité de réalisation du joint. Un tel joint peut être par exemple utilisé dans une arme à propulseur liquide, en étant logé dans une canalisation qui assure l'acheminement sous pression de l'agent de propulsion entre un réservoir de stockage et la chambre de combustion de l'arme. Une telle application sera décrite plus loin dans laquelle les pressions élevées sont des pressions de l'ordre de 5 à 10 000 bars. D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront de la description explicative qui suit faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels - la figure 1 est une vue coupe du joint selon l'invention en position repos, - la figure 2 est une vue en coupe du même joint en position étanchéité, - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une arme à propulseur liquide qui est équipée d'un joint conforme à l'invention. Selon un mode de réalisation représenté aux figures 1 et 2, il s'agit d'assurer l'étanchéité et l'immobilisation des pièces 1 et 2 placées dans un logement 3 d'un corps 4. Dans cet exemple, la pièce 1 est un axe ou un piston et la pièce 2 est un fourreau ou un guide vissé dans le corps 4 à l'intérieur duquel la pièce 1 peut coulisser. Le logement 3 du corps 4 délimite une chambre 5 remplie d'un fluide sous une pression gaz ou liquide de 5000 à 10 000 bars. L'étanchéité entre la pièce 2 et le corps 4 est assurée par un joint métallique classique 6 disposé entre un épaulement 7 de la pièce 2 et un épaulement 8 du logement 3, qui est écrasé par la mise en butée de la pièce 2. La pièce 2 est munie d'un premier chanfrein 9 formant logement borgne à l'intérieur duquel est logé le joint statique selon l'invention et d'un second chanfrein 10 de section supérieure recevant un moyen de blocage du joint. Le joint comprend une première bague 11 élastique appliquée directement sur la pièce 1 et une seconde bague élastique 12 insérée dans le logement 9, ces deux bagues étant préférentiellement disposées de manière concentrique, c'est-à-dire en vis-à-vis, et à distance l'une de l'autre. Un piston 13 est engagé dans le logement 9 en contact étroit avec la pièce 1 et vient réaliser une précontrainte des bagues 11 et 12 soit contre le fond du logement 9, soit de préférence contre des bagues métalliques 15, 16 disposées au fond du logement 9. A cette fin, le piston présente une tige tubulaire 14 s'engageant dans l'espace libre délimité par les deux bagues élastiques et métalliques. Les bagues métalliques se présentent sous la forme d'une première bague 15 appliquée sur la pièce 1 et a une épaisseur sensiblement identique à la bague élastique 11 et d'une seconde bague 16 insérée dans le logement 9 et a une épaisseur sensiblement identique à la bague élastique 12. La tige 14 du piston a une longueur telle que son extrémité soit située sensiblement au niveau médian des bagues 15 et 16. Enfin, le piston 13 est bloqué par un écrou 17 vissé dans le logement 10 et est freiné par un système d'arrêt par exemple une vis 25 sans tête à cuvette. Cet écrou se présente sous la forme d'une section de tube qui délimite alors une chambre 18 en communication avec la chambre 5. Cette chambre 5 a un volume réglable en fonction du déplacement de l'élément 1. Sur la figure 2, on a représenté la position du piston 13 lorsque la pression se développe dans la chambre 5. On voit que celui-ci s'est déplacé d'une valeur e en s'éloignant de l'écrou 17. Ce déplacement est suffisant pour comprimer les bagues élastiques 11 et 12 et étancher la pression. Le fonctionnement est le suivant. Après avoir placé les bagues métalliques 15 et 16, puis les bagues élastiques 11 et 12, on engage le piston 13 que l'on bloque avec l'écrou 17. Le vissage approprié de cet écrou entraîne une faible précompression des bagues élastiques et garantit une étanchéité basse pression entre les pièces 1 et 2. Par basse pression, on entend une valeur de pression de l'ordre 15 bar. Après le réglage de cette précompression par serrage de l'écrou, l'arrêt en rotation de l'écrou 17, sur le fourreau 2, on ajuste le volume de la chambre 5 par déplacement suivant la flèche F de l'élément 1, en vissant ou dévissant les pièces 1 et 2, le mécanisme de déplacement n'étant pas représenté. Lorsque la pression se développe dans la chambre 5, elle se transmet à la face 20 (fig. 2) du piston 13 qui multiplie cette pression sur les faces 21 et 22 des bagues élastiques 11 et 12 par le rapport des surfaces S20 /(S21 + S22), ce qui provoque une compression des bagues élastiques sur les faces 23 et 24 supérieure à la pression à étancher. Lorsque la pression disparaît, les bagues élastiques 11 et 12 reprennent leur position initiale représentée à la figure 1 en repoussant le piston 13 jusqu'au contact de l'écrou. Le volume de la chambre 5 peut être à nouveau réglé. Les bagues élastiques Il et 12 peuvent être réalisées en n importe quel matériau élastique pourvu qu'il soit compatible avec le fluide à étancher, c'est-à-dire en un matériau résistant sans se dégrader audit fluide. A titre d'exemple, on cite des caoutchoucs. Le mode de réalisation réprésenté sur la figure 3 correspond à un montage inversé par rapport au mode de réalisation selon les figures 1 et 2, dans lequel les bagues sont montées sur le piston 1 qui coulisse à l'intérieur du fourreau 2. L'extrémité la du piston présente deux sections lb et lc de diamètre décroissant. La section lb délimite un épaulement 26 qui définit lui-même avec la surface interne de la pièce 2 et la surface externe de cette section lb un logement de réception du dispositif selon l'invention. Les bagues métalliques 15 et 16 sont appliquées contre l'épaulement 26 tout en étant séparées l'une de l'autre par un espace libre. Le diamètre externe de la bague 16 est adapté au diamètre interne du fourreau 2 et le diamètre interne de la bague 15 est adapté au diamètre de la section lb du piston 1. Les bagues élastiques 11 et 12 sont placées respectivement contre les bagues métalliques 15 et 16, les dimensions de ces bagues étant prévues comme précédemment. Le piston 13, muni de sa tige tubulaire 14 engagée dans l'espace libre délimité par les bagues, peut comporter un ergot interne 27 susceptible de venir en butée sur l'épaulement 28 du piston 1. La bague 17 est vissée sur la section lo et est immobilisée en rotation par la vis 25 et permet de fixer la précontrainte initiale des bagues 11 et 12. Le fonctionnement est identique à celui du mode précédant de réalisation. Sur les figures, on voit que les bagues internes 11 et 15 ont une épaisseur supérieure à celle des bagues externes 12 et 16 correspondantes. Cette différence d'épaisseur permet d'égaliser la contrainte exercée par le piston 13. Parmi les applications possibles de l'invention, on citera les canons utilisant des fluides propulseurs comme les canons à ergol liquide ou bien des canons électriques à fluide additionnel. Un exemple d'application d'une telle étanchéité est donné à titre exemple sur la figure 4, qui illustre partiellement et schématiquement un tube 50 d'une arme de moyen ou de gros calibre à propulseur liquide, avec un projectile 51 mis à poste dans le tube 50 au niveau d'un cône de forcement 52, d'une façon connue en soi. L'extrémité arrière du tube 50 est obturable de manière étanche par un obturateur de culasse 53. Une chambre 55 de combustion est délimitée dans le tube 50 entre le projectile 51 et l'obturateur de culasse 53 en position fermée de celui-ci. Cette arme à propulseur liquide est équipée d'un système d'injection pour injecter sous pression dans la chambre 55 un agent de propulsion, tel qu'un ergol sous forme liquide ou gélifiée, stocké dans au moins un réservoir 57 défini dans un corps annulaire 40 rapporté autour du tube 50 de l'arme. Pour cela, un canal longitudinal 60 est percé dans le corps 40, parallèlement à l'axe du tube 50, et le réservoir 57 à volume variable est défini dans le canal 60 entre deux fonds 61 et 62 respectivement constitués par un bouchon qui ferme de façon étanche une extrémité du canal 60, et par un élément cylindrique réglable en position axiale à l'intérieur du canal 60 et qui ferme également de manière étanche l'autre extrémité de celui-ci. Le fond 62 correspond à la pièce 1 de la figure 1 et est étanché par le joint 71 conforme aux figures 1 et 2. Un piston 65 multiplicateur de pression est monté et coulissant à l'intérieur du réservoir 57. Le fond 61 formé par le bouchon se prolonge à l'intérieur du réservoir 57 par une butée axiale 66 sur laquelle le piston 65 prend appui, lorsque le réservoir 57 est rempli. Dans cette position du piston 65, une chambre 67 est délimitée dans le réservoir autour de la butée 66, cette chambre 67 communiquant avec la chambre 55 de combustion par une canalisation d'entrée 68 formée d'un canal percé dans le corps 40 qui correspond à la pièce 2 de la figure 1 et dans la paroi du tube 50. Le réservoir 57 communique également avec la chambre 55 de combustion par une canalisation de sortie 69 percée à l'intérieur du corps 40. Cette canalisation de sortie 69 est constituée d'un canal longitudinal ou conduit 41 qui communique avec le réservoir 57 par au moins un conduit de liaison 70, et avec la chambre 55 de combustion par un conduit radial 42. Un soupape 43 est logée dans le conduit 41 au niveau de la section de passage entre les conduits 41 et 42. Un tel système d'injection fonctionne de la manière décrite ci-après. Avant le tir du projectile 51 mis à poste dans le tube 50, on procède au réglage du volume du réservoir 57 pour stocker la quantité totale d'agent de propulsion nécessaire au tir du projectile 51. Cette opération consiste à régler la position axiale du fond de cylindre 62 au moyen d'un mécanisme de réglage 62a. Le joint statique 71 selon l'invention est monté au niveau du cylindre 62 et permet d'étancher la pression du fluide entre le corps 40 et ce cylindre. Une fois le réglage du volume du réservoir 57 effectué, on envoie sous faible pression l'agent de propulsion dans le réservoir 57 qui communique, à cet effet, par un canal 75 avec un moyen de remplissage (non représenté) . L'agent de propulsion se répand dans le conduit de sortie 41. La soupape 43 reste en position de fermeture, tant que la force exercée par un ressort de rappel sur la face arrière de la soupape 43 est supérieure à la différence des forces exercées par l'agent de propulsion sur les deux faces opposées de la paroi avant de la soupape. On injecte et on enflamme ensuite une faible quantité d'agent de propulsion directement dans la chambre 55 de combustion. Les gaz de combustion pénètrent librement à l'intérieur de la chambre 67 par la canalisation d'entrée 68, et dès que leur pression devient suffisante, ils entraînent le déplacement du piston 65. Cette pression est cependant insuffisante pour provoquer l'éjection du projectile 51. En se déplaçant, le piston 65 comprime l'agent de propulsion contenu dans le réservoir 57 et la canalisation de sortie 69 associés. Dès que agent de propulsion comprimé par le piston 65 a atteint la pression nécessaire pour ouvrir la soupape 43, celle-ci libère la section de passage entre les deux conduits 41 et 42, et l'agent peut alors s'écouler jusqu'à la chambre 55 de combustion, et entraîner ensuite l'éjection du projectile 51 lorsque la pression des gaz de combustion atteint une valeur suffisante. Bien entendu, l'invention n' est nullement limitée au mode de réalisation du joint telle qu'illustrée sur les dessins. REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité statique entre un premier élément engagé dans un second élément, immobiles l'un par rapport à l'autre, les deux éléments étant montés coulissants à l'intérieur d'un logement pratiqué dans un support et soumis simultanément à une pression élevée de fluide, caractérisé en ce qu il comprend dans un logement borgne délimité (9) entre les deux éléments (1,2) d'une part une première bague élastique (11) appliquée sur le premier élément (1) et une seconde bague élastique (12) insérée dans le second élément (2), ces bagues élastiques (11,12) étant disposées de manière concentrique et espacées l'une de l'autre, et d'autre part un piston (13) soumis à la pression de fluide présentant une tige (14) engagée entre les deux bagues élastiques (11,12), les bagues étant comprimées contre le fond du logement (9) par le piston (13) sous l'action de la pression. 2. Joint d'étanchéité statique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une première bague métallique (15) appliquée sur le premier élément (1) et une seconde bague métallique (16) insérée dans le second élément (2), les bagues métalliques étant disposées entre le fond du logement (9) et les bagues élastiques (11,12) de manière concentrique l'une par rapport à l'autre. 3. Joint d'étanchéité statique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les bagues métalliques (15,16) sont espacées l'une de l'autre, la tige (14) du piston (13) s'engageant entre celles-ci. 4. Joint d'étanchéité statique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le piston (13) est maintenu dans le logement (9) à l'aide d'un écrou (17) vissé au niveau de l'extrémité ouverte du logement (9). 5. Joint d'étanchéité statique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tige (14) du piston (13) présente une hauteur supérieure à la profondeur du logement (9) pour délimiter la course du piston (13). 6. Joint d'étanchéité statique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bagues élastiques (11,12) sont de hauteur identique. 7. Joint d'étanchéité statique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première bague élastique (11) présente une épaisseur supérieure à celle de la seconde bague (12). 8. Joint d'étanchéité statique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bagues élastiques (11,12) sont réalisées dans un matériau compatible avec le fluide à étancher par exemple un caoutchouc. 9. Joint élastique statique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bagues métalliques (15,16) présentent des dimensions identiques à celles des bagues élastiques (11,12) respectives. 10. Joint élastique statique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bagues élastiques (11,12) sont précontraintes par le piston (13) pour réaliser l'étanchéité basse pression entre les deux éléments (1,2).