Brevet FR2704617A1 — publié le 19941104

La présente invention est relative aux garnitures d'étanchéité, en particulier aux garnitures mécaniques d'étan- chéité du type plat, plus spécialement pour des pompes centri- fuges ou analogues comportant un arbre tournant et une garni- ture secondaire d'étanchéité qui est située axialement à l'ex- térieur par rapport à la garniture principale; dans ces gar- nitures, on prévoit une entrée et une sortie pour un liquide de chasse ou de nettoyage, au moins un passage de draina- ge conduisant à la sortie et une chambre collectrice de liqui- de qui est située entre la garniture principale et la garnitu- re secondaire. L'invention est applicable en particulier aux pompes centrifuges équipées de garnitures mécaniques d'étanchéité planes qui comportent une partie (siège) fixe radialement ex- térieure et une partie radialement intérieure qui tourne con- jointement avec l'arbre. Les surfaces coopérantes d'étanchéi- té de ces deux parties sont très lisses et elles doivent être refroidies par le liquide pompé ou par un liquide provenant de l'extérieur. Le liquide forme une pellicule liquide entre les surfaces d'étanchéité, de sorte que ces dernières ne peu- vent pas venir en contact l'une avec l'autre. Les garnitures planes permettent une faible fuite entre les surfaces d'étanchéité, cette fuite n'étant norma- lement pas visible car le liquide s'évapore, et, par consé- quent, des impuretés, en particulier des sels cristallisés, s'accumulent à l'extérieur de la garniture, avec le risque que la partie fixe tourne avec l'arbre ou que les surfaces d'étanchéité soient éloignées l'une de l'autre, avec pour conséquence une réelle fuite du liquide pompé. Pour remédier à cet inconvénient, l'extérieur de la garniture est nettoyé à l'aide d'un liquide de mouillage ou de chasse,en général de l'eau pure. Du fait que l'on ne peut pas laisser ce li- quide de nettoyage éclabousser le milieu environnant de ma- nière incontrôlée, l'ensemble d'étanchéité comporte une gar- niture secondaire qui, sous sa forme la plus simple, peut être constituée par une bague d'étanchéité radiale. On uti- lise également des joints du type à labyrinthe ou des joints à lèvres, ainsi que des boîtes à garniture équipées de tres- ses ou de bagues en graphite. Toutes ces bagues d'étanchéité et ces boîtes à garniture nécessitent une alimentation conti- nue en liquide pour la lubrification et le refroidissement mais, malgré cela, elles s'usent et finissent, après une pé- riode relativement courte, par laisser fuir le liquide pompé. La garniture secondaire peut également comporter une autre garniture mécanique d'étanchéité plane, pour constituer une double garniture mécanique d'étanchéité plane. Cette double garniture est sensiblement plus onéreuse et, en raison de sa conception, elle exige souvent une surpression dans l'enve- loppe d'étanchéité dans laquelle elle doit être montée. Cette conception signifie qu'une fuite d'eau est extrêmement grave, car la garniture intérieure peut être sollicitée vers l'exté- rieur, avec pour conséquence une fuite du liquide pompé, de sorte que la garniture extérieure fonctionne à sec et s'échauf- fe de manière importante en peu de temps. Pour remédier à ces inconvénients, un but principal de l'invention est de fournir un dispositif d'étanchéité, en particulier une garniture mécanique d'étanchéité plane, qui ne nécessite que de faibles quantités de liquide de chasse ou de lavage pour refroidir et lubrifier la garniture et qui per- met de refouler un débit important du liquide pompé même si la garniture commence à fuir ou devient défaillante. Ce but est atteint dans la garniture d'étanchéité selon l'invention qui est caractérisée en ce que la chambre collectrice de liquide est divisée en au moins deux parties qui sont séparées l'une de l'autre par au moins une cloison de séparation qui permet une communication entre ces parties. Dans la garniture selon l'invention, on est assuré que le liquide de lavage est présent pendant une durée impor- tante entre les garnitures primaire et secondaire et, ainsi, qu'il est utilisé de manière efficace. La garniture selon l'invention ne nécessite qu'une très faible quantité d'eau de lavage si celle-ci est soigneusement contrôlée. Par un la- vage continu, on peut ainsi économiser de 75 à 90 % d'eau. Si un lavage continu n'est pas nécessaire, comme c'est le cas par exemple s'il est utilisé seulement pour chasser les sels cris- tallisés à l'extérieur de la garniture, il est possible de la- ver à des intervalles séparés, par exemple 10 secondes toutes les 2 minutes, pour économiser encore plus d'eau. Lors de l'utilisation de la garniture selon l'invention, le lavage in- termittent peut être réduit à 10 secondes toutes les 10 heures, ce qui permet une économie de 99,97 t de liquide de lavage. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, on prévoit un boîtier d'étanchéité qui comporte au moins une enveloppe, au moins la partie tournante de la garniture d'étan- chéité, une garniture secondaire, une entrée pour le liquide de lavage, une chambre collectrice de liquide située entre les deux garnitures, une sortie de liquide située en aval de la chambre collectrice, au moins un passage de drainage condui- sant à cette sortie, et de préférence au moins une cloison de séparation qui divise la chambre collectrice en des parties qui sont séparées l'une de l'autre. Il est possible d'utiliser ce même boîtier pour des positions avec ou sans lavage, ce qui signifie qu'on a besoin de disposer en stock de pièces détachées en moins grand nombre. Ce boîtier ne comporte aucune pièce mobile et aucune pièce sou- mise à l'usure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux du complément de description qui va suivre de quelques modes de réalisation de l'invention, donnés à ti- tre explicatif et non pas limitatif, et en référence aux des- sins annexés qui font partie de la description et dans les- quels: Fig. 1 est une vue en coupe axiale montrant les par- 4 2704617 ties les plus importantes d'un boîtier d'étanchéité établi selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention; Fig. 2A est une coupe axiale, analogue à la Fig. 1, relativement à un deuxième mode de réalisation de l'invention; -Fig. 2B est une coupe radiale suivant la ligne A-A de la Fig. 2A; Figs. 3A et 3B sont des vues analogues respectivement aux Figs. 2A et 2B, relativement à un troisième mode de réali- sation de l'invention; Fig. 4 est une coupe radiale d'une garniture établie selon un quatrième mode de réalisation de l'invention; Figs. 5A et 5B sont des vues analogues respectivement aux Figs. 2A et 2B, relativement à un cinquième mode de réali- sation de l'invention; et Fig. 6 est une coupe radiale montrant un sixième mo- de de réalisation de la garniture selon l'invention. Dans toutes les Figures, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes référen- ces numériques. Dans le premier mode de réalisation de la Fig. 1, on a représenté une enveloppe 1 qui constitue l'enveloppe d'un boîtier d'étanchéité désigné d'une manière générale par la référence numérique 2. La référence numérique 3 désigne un arbre tournant, en particulier un arbre de pompe, la référen- ce numérique 4 désigne la partie d'une garniture mécanique d'étanchéité plane qui tourne conjointement avec l'arbre 3, la référence numérique 5 désigne le siège ou partie fixe, c'est-à-dire non tournant, de cette garniture, et la référence numérique 7 désigne une garniture secondaire qui se présente, dans l'exemple considéré, sous la forme d'une garniture du type à labyrinthe. La référence numérique 8 désigne une cham- bre collectrice pour un liquide de chasse ou de lavage, habi- tuellement de l'eau, qui est délivré à une entrée 9, et pour le liquide de pompage ou analogue qui peut fuir le long de l'arbre 3 entre les parties 4 et 5 de la garniture principale. Conformément à l'invention, la chambre collectrice 8, dans ce mode de réalisation, est divisée en deux parties 8A et 8B par une cloison commune 12 de séparation, les deux parties de cham- bre comportant un passage commun 13 de drainage et une sortie commune 14. En variante, le nombre de cloisons de séparation, le nombre de passages de drainage et le nombre de sorties peu- vent être supérieurs, par exemple deux ou trois. Grâce à la chambre collectrice 8, qui est divisée par au moins une cloison de séparation 12, et à son passage de drainage 13 et sa sortie 14, on empêche qu'une quantité trop importante de liquide parvienne à la garniture secondaire 7 qui n'accepte que de faibles quantités de liquide sans fuir. Grâce à l'invention, au moins la plus grande partie du liquide qui s'écoule le long de l'arbre 3 à partir de l'entrée 9, et éventuellement par fuite entre les parties 4 et 5 de la garni- ture principale, parvient à la sortie 14, à travers le passage 13. L'agencement selon la Fig. 1 empêche, ou du moins réduit, une fuite directe à travers la garniture secondaire 7. Pour des vitesses de rotation élevées de l'arbre 3, il se produit également ce que l'on appelle une co-rotation, au cours de laquelle au moins une partie du liquide de fuite et/ou de lavage tourne conjointement avec l'arbre au lieu de se diriger vers la sortie 14, devant laquelle il passe à gran- de vitesse. Pour résoudre cette difficulté et faire en sorte que le liquide s'écoule à travers la sortie 14, comme prévu, on préfère agencer la garniture selon l'invention suivant l'un quelconque des modes de réalisation qui vont être décrits ci- après. Dans le mode de réalisation représenté sur les Figs. 2A et 2B, la cloison de séparation 12 se présente sous la forme d'une hélice qui s'étend sensiblement sur toute la longueur de la chambre collectrice 8, entre les deux parois radiales opposées de celle-ci. La cloison de séparation 12 en hélice entourel'arbre 3, en ménageant un faible espace ra- dial avec celui-ci, et elle divise la chambre collectrice 8 en quatre parties 8A, 8B, 8C et 8D, qui se font suite de ma- nière hélicoïdale et qui sont séparées l'une de l'autre; la cloison de séparation 12, par son bord hélicoïdal extérieur, (Fig. 2B), est située au voisinage immédiat de la surface in- térieure de l'enveloppe du boîtier 1, sauf dans la zone de la sortie 14 o, conjointement avec l'enveloppe, elle définit trois passages de drainage 13 conduisant à la sortie 14. Ce mode de réalisation empêche, ou du moins réduit, à la fois une fuite directe et une fuite par co-rotation. Dans le mode de réalisation des Figs. 3A et 3B, qui montrent respectivement en coupe axiale et en coupe radiale suivant la ligne A-A de la Fig. 3A un troisième mode de réa- lisation de l'invention, on empêche tout spécialement une fuite par co-rotation; la cloison de séparation 12 est cons- tituée par quatre paires de barres. Une barre 12A de chaque paire est située axialement du côté intérieur, et une barre 12B de chaque paire est située axialement du côté extérieur par rapport à une chambre centrale 8C de la chambre collectri- ce 8. Les barres 12B délimitent ensemble quatre parties de chambre 8B, qui sont toutes en liaison directe avec la partie centrale 8C plus grande. De la même manière, les quatre bar- res axialement du côté intérieur délimitent ensemble quatre parties de chambre, qui sont toutes en liaison directe avec la partie centrale 8C plus grande. Le nombre de paires de barres 12 peut être infé- rieur, par exemple deux ou trois, ou au contraire supérieur à quatre, par exemple six ou huit. Au surplus, les barres 12 peuvent être inclinées par rapport à un plan axial au lieu d'être situées, comme montré sur la Fig. 3B, chacune dans un plan axial. Une autre manière possible d'empêcher la fuite par co-rotation est représentée sur la Fig. 4 qui montre une coupe radiale d'un quatrième mode de réalisation de la garniture se- lon l'invention. Dans ce cas, la chambre collectrice est sépa- rée en deux parties au moyen d'une cloison radiale 12 de sé- paration, la coupe de la Fig. 4 étant prise à travers la par- tie axialement intérieure 8A de la chambre collectrice. Dans ce mode de réalisation, la sortie 14 et le passage de drainage 13 sont situés dans un plan vertical qui est parallèle à l'ar- bre 3 et qui est décalé latéralement, c'est-à-dire radialement, par rapport à un plan axial vertical auquel il est parallèle et qui est situé après le passage de drainage 13 et la sortie 14 en considérant le sens de rotation de l'arbre et qui débou- che à la partie inférieure de l'ensemble. Dans le mode de réa- lisation représenté, la cloison de séparation 12 est totale- ment ou partiellement interrompue par le passage de drainage 13 et la sortie 14. En variante, ces deux derniers peuvent être remplacés ou complétés par des sorties qui sont situées dans les parties respectives de la chambre collectrice et diri- gées de la même façon. L'invention prévoit également que le passage de drainage 13 et la sortie 14 peuvent définir un an- gle supérieur ou inférieur avec le plan axial ci-dessus et avec le plan de la Fig. 4. Un autre mode de réalisation de l'invention, qui em- pêche principalement la fuite par co-rotation, est représenté sur les Figs. 5A et 5B qui sont respectivement une coupe axia- le et une coupe radiale suivant la ligne A-A de la Fig. 5A d'une garniture selon l'invention. La cloison de séparation 12 est en forme de tube et elle entoure l'arbre 3 en ménageant avec celui-ci un espace cylindrique annulaire étroit, par exem- ple d'une largeur de 2 mm. Cet espace constitue la partie inté- rieure 8A de la chambre collectrice 8, l'entrée 9 du liquide de lavage débouchant dans cette partie intérieure 8A. La cloi- son de séparation 12 est interrompue par plusieurs orifices ou fentes 11, de préférence radiaux,qui conduisent à une par- tie radiale extérieure 8B de la chambre collectrice 8. La sor- tie 14 est située à la partie inférieure de la partie 8B. La cloison de séparation 12 peut être complétée par au moins une cloison tubulaire supplémentaire de séparation située extérieu- rement par rapport à la cloison principale 12 et par rapport à l'arbre 3, cette cloison supplémentaire (non représentée)- étant de préférence tubulaire et divisant la partie 8B en au moins deux parties. La fuite par co-rotation peut également être empêchée grâce au mode de réalisation représenté en coupe sur la Fig. 6. Dans ce mode de réalisation, la chambre collectrice 8, qui ne comporte pas, à proprement parler, une cloison de séparation, présente une forme en spirale avec, au moins initialement, une aire en section droite qui croît radialement. La chambre col- lectrice 8 s'étend en direction axiale et elle entoure l'arbre 3 pour se terminer, en direction périphérique, par une paroi concave courbe qui délimite un passage de drainage 13 condui- sant à la sortie 14. La garniture d'étanchéité selon l'invention, qui com- porte une chambre collectrice recueillant le liquide de lavage sans fuite, sans pièces mobiles et sans pièces sujettes à l'usure, présente des avantages importants par rapport aux gar- nitures de la technique antérieure. La chambre collectrice ac- cepte des quantités de liquide beaucoup plus importantes que le liquide effectivement délivré, ce qui est un avantage lors- que la garniture s'use et commence à fuir. La fuite peut être détectée visuellement à la sortie, mais elle peut également être détectée par exemple par &es mesures de conductivité di- rectement à la sortie avant que le liquide pompé ne fuit vers l'extérieur. Cela est un aspect très important si l'on prend en compte les futures réglementations visant l'environnement et les conditions de travail. Comme on l'a indiqué ci-dessus, la garniture selon l'invention comporte avantageusement un boîtier d'étanchéité qui protège la pompe et la garniture elle-même de manière par- faite et qui présente notamment les avantages suivants: 1) L'intégralité du liquide de lavage et de fuite, jusqu'à 4-10 litres par minute, peut être supprimé du milieu entou- rant la garniture d'étanchéité, de telle manière qu'il n'y a aucune projection vers l'extérieur. Cela vaut pour des vitesses de rotation pouvant aller jusqu'à 3.600 tr/mn. 2) Du fait que la garniture secondaire ne comporte aucune pièce qui est mobile, il n'est pas nécessaire que le liqui- de de lavage lubrifie cette seconde garniture elle-même. Cela rend possible notamment un lavage intermittent dans l'espace qui est situé à l'extérieur des garnitures méca- niques, de sorte que la consommation d'eau peut être rédui- te de manière très importante, par exemple jusqu'à 1 %. 3) Dans le mode de réalisation o la fourniture d'eau se fait au voisinage de la garniture mécanique, une très faible quantité d'eau est nécessaire pour refroidir et lubrifier la garniture mécanique qui ne reçoit pas de liquide de la pompe (environ 0,2 litre par minute à 1.500 tr/mn). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation, non plus qu'au mode d'application, qui ont été décrits; on pourrait au contraire concevoir diverses variantes sans sortir pour autant de son cadre, notamment en combinant des caractéristiques des divers modes de réalisation décrits. REVENDICATIONS 1. Garniture d'étanchéité pour un arbre tournant (3), en particulier garniture mécanique d'étanchéité du type plat, plus spécialement pour une pompe centrifuge ou analogue com- portant un arbre tournant (3) et une garniture secondaire d'étanchéité (7) située axialement du côté extérieur par rap- port à la garniture principale (4,5), une entrée (9) et une sortie (14) étant prévues pour un liquide de chasse ou de net- toyage et éventuellement pour le liquide pompé fuyant à tra- vers la garniture principale, au moins un passage de drainage (13) conduisant à la sortie (14), et une chambre (8) collec- trice de liquide étant située entre la garniture principale (4,5) et la garniture secondaire (7), caractérisée en ce que la chambre (8) collectrice de liquide est divisée en au moins deux parties (8A,8B,8C, 8D) qui sont séparées l'une de l'autre par au moins une cloison de séparation (12,12A, 12B) qui per- met la communication entre les parties de chambre. 2. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce que les parties de chambre collectrice de liquide sont au nombre de deux. 3. Garniture selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que toutes les parties de la chambre (8) collectrice de liquide ont une sortie commune (14). 4. Garniture selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la cloison de séparation (12) se pré- sente sous la forme d'une hélice et entoure l'arbre tournant (3) en ménageant avec celui-ci un faible espace et en s'éten- dant dans la chambre (8) collectrice de liquide, sensiblement sur toute la longueur de celle-ci, entre ses parois opposées. 5. Garniture selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la chambre (8) collectrice de liquide comporte deux parties, à savoir une partie radialement inté- rieure (8A) et une partie radialement extérieure (8B) qui sont séparées l'une de l'autre par une cloison cylindrique de séparation (12) présentant au moins un passage de drainage (13), et en ce que seule la partie (8B) la plus en aval de la chambre (8) collectrice de liquide présente une sortie de liquide (14). 6. Garniture selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la sortie (14) est excentrée,c'est- à-dire non radiale, par rapport à l'arbre tournant (3). 7. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre (8) collectrice de liquide présente, dans son ensemble, une forme en spirale, et en ce que son aire en section droite augmente dans la direction de la sortie (14). 8. Garniture selon la revendication 7, caractérisée en ce que le passage de drainage (13) est délimité par une paroi concave courbe. 9. Garniture selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est constituée par un boîtier d'étanchéité (2) comportant au moins une enveloppe (1), au moins la partie tournante (5) de la garniture d'étanchéité, une garniture secondaire (7), une entrée (9) pour le liquide de nettoyage, une chambre (8) collectrice de liquide qui est située entre ces deux garnitures, une sortie (14) pour le liquide située en aval de la chambre (8) collectrice de liqui- de, au moins un passage de drainage (13) conduisant à la sor- tie (14), et de préférence au moins une cloison de séparation (12) qui divise la chambre (8) collectrice de liquide en des parties (8A,8B,8C,8D) qui sont séparées l'une de l'autre.