Brevet FR2704923A1 — publié le 19941110

" Garniture étanche d'arbre comprenant des bagues d'étanchéité disposées les unes derrière les autres " L'invention a pour objet une garniture étanche servant à étancher deux chambres à pressions différentes comportant plusieurs bagues d'étanchéité disposées l'une derrière l'autre dans un boîtier et en appui élastique sur l'arbre, une ou plusieurs de ces bagues étant constituées de segments bout à bout periphériquement. Le document US 2 908 516 décrit une telle garniture. Les garnitures à bagues de glissement sont d'uti- lisation courante pour les vitesses de rotation et les vi- tesses périphériques élevées. De telles garnitures servent à éviter le plus possible un échange de fluide ou une éga- lisation des pressions entre deux volumes séparés faisant partie du boîtier de la machine qui traverse l'arbre. Sou- vent, ces garnitures présentent sur leurs faces en regard de l'arbre des rainures reliées à une chambre du boîtier contenant un fluide. L'action hydrodynamique que le fluide exerce entre les bagues d'étanchéité et l'arbre écarte les20 bagues de l'arbre et réduit ainsi l'usure des garnitures par frottement. Le document DE 26 46 475 B2, par exemple, montre la constitution de telles garnitures. Toutefois, le document américain US 2 908 516, pour limiter la fuite à travers la fente séparant l'arbre et la bague de glisse-25 ment, fait appel à un ressort de tension agissant sur la périphérie, en regard du boîtier de la machine de la garni- ture segmentée, pour appliquer cette garniture sur l'arbre. Mais l'expérience a montré que de telles garnitu- res d'étanchéité ne permettaient pas d'obtenir une étan- chéité suffisante pour des vitesses périphériques supérieures à 30 m/s environ et pour une différence des pressions des chambres à isoler supérieure à 100 kPa envi- ron. Compte tenu de ce qui précède, le but de l'inven- tion est de créer une garniture d'étanchéité sur arbre du genre décrit, maintenant à un faible niveau le courant de fuite entre les chambres à pressions différentes qu'il s'agit d'isoler, même pour des grandes vitesses périphéri- ques de l'arbre. Il convient également que la garniture su- bisse le minimum d'abrasion en service. Selon l'invention, le but est atteint en pré- voyant, dans le boîtier, du côté basse pression, une garni- ture à brosses délimitant par rapport à l'arbre une fente radiale soumise à une pression de barrage exercée par de l'air à une pression comprise entre les pressions des cham- bres à haute et à basse pression. Le dispositif selon l'invention présente l'avan- tage de maintenir le courant de fuite dans des limites ac- ceptables même pour des vitesses périphériques de l'arbre dépassant 100 m/s et des vitesses de rotation dépassant 15.000 tours/min. L'étanchéité supérieure à celle des solu- tions connues selon l'état de la technique, pour les vites- ses périphériques élevées que l'on souhaite donner à l'arbre résulte de l'interposition de la garniture à air entre les bagues de glissement situées du côté haute pres- sion et la garniture à brosses située du côté basse pres- sion, qui a pour effet de réduire considérablement le passage de l'air de barrage dans la chambre à basse pres- sion. Le réglage de la pression par l'intermédiaire de l'air de barrage, permet d'exercer sur la fente hydrodyna- mique séparant l'arbre et les bagues de glissement une in- fluence optimisant l'étanchéité et la durée de vie des ba- gues. Même avec des différences de pression, entre les chambres, de 200 KPa ou plus, on ne constate pas une aug- mentation sensible du courant de fuite. Par ailleurs, la disposition axiale compacte des bagues économise du volume radial. On utilise de préférence, pour réaliser les ba- gues de glissement, une polyamide additionnée de graphite. Cette matière connue sous la dénomination commerciale Ves- pel, est caractérisée par une résistance renforcée à l'abrasion et une tenue élevée à la chaleur continue. En assurant les bagues de glissement contre leur entraînement en rotation, on empêche les segments constituant ces bagues de quitter sous l'effet de chocs périphériques pendant la rotation de l'arbre, la position qui leur a été imposée, avec réduction de l'étanchéité fournie par les bagues. On améliore l'étanchéité en prévoyant entre le boîtier et la surface externe des bagues une fente isolée de manière étanche par rapport à la pression de la chambre à haute pression. L'expérience a notamment montré qu'une pression assez faible dans la fente entre la bague de glissement et le boîtier entraîne la formation, entre la bague et l'ar- bre, d'un film hydrostatique de glissement de valeur opti- male, garantissant à la fois une faible abrasion des bagues et une bonne étanchéité sur l'arbre. Il s'est révélé également avantageux pour le fonctionnement du joint d'étanchéité sur l'arbre d'entourer les bagues de glissement, sur leur périphérie externe, par un anneau d'appui segmenté qui a pour effet de mettre en appui les bagues de glissement sur l'arbre, sous l'action d'un ressort de tension agissant sur la face externe de l'anneau d'appui. C'est également un avantage de pouvoir se passer d'une pluralité de ressorts de tension, causes de défaillances. La facilité de montage et l'efficacité de fonctionnement de la garniture d'étanchéité sur l'arbre peuvent être améliorées en assurant le maintien axial des bagues d'étanchéité par montage entre les ailes d'un boî- tier annulaire présentant une section en U. L'invention est décrite plus en détail ci-après, sous la forme d'un mode préféré de réalisation représenté par le dessin annexé, à savoir: La figure 1 est une vue partielle d'une coupe longitudinale d'un palier portant un arbre dans le boîtier d'une machine et équipé d'une garniture d'étanchéité. La figure 2 est une vue en perspective, par- tielle, d'une étanchéité d'arbre avec bague de boîtier. La figure 3 est une vue en coupe de la bague de la figure 2. On voit, sur la figure 1, la zone d'un palier de montage d'un arbre 1 dans un boîtier de machine 2. Le pa- lier 3, monté concentriquement à l'arbre 1 dans le siège 4 faisant partie du boîtier 2, peut être un palier de glisse- ment ou de roulement. Une garniture d'étanchéité 5, concen-20 trique à l'arbre et décalée axialement par rapport au palier 3, est intercalée entre l'arbre 1 et un siège d'étanchéité 6 du boîtier 2. L'arbre 1 traverse le boîtier 2 au niveau d'une ouverture 7 dans laquelle se trouvent le siège de palier 4 et le siège d'étanchéité 6. Le boîtier de la machine 2 constitue séparation entre une chambre à haute pression HD et une chambre à basse pression ND. La garni- ture 5, opérant sur l'arbre 1 qui va de la chambre à haute pression HD à la chambre à basse pression ND assure l'iso- lation avec étanchéité, dans le boîtier, entre les deux30 chambres, de manière à éviter les fuites ou les pertes de pression. Comme le montrent en détail les figures 2 et 3, la garniture 5 d'étanchéité sur l'arbre est constituée de quatre bague d'étanchéité se succédant axialement. A la différence de la figure 1, dans la solution alternative35 présentée ici, les bagues d'étanchéité sont maintenues axialement entre les ailes 9 d'un boîtier annulaire 10 pré- sentant une section en U. Les ailes 9 sont dirigées vers l'intérieur, la base 1il reliant les ailes 9 de ce boîtier annulaire 10 concentrique à l'arbre obture la garniture 5, radialement. Les figures 2 et 3 font également apparaître que deux bagues d'étanchéité contiguës 12a, 12b sont des bagues de glissement, décomposées en segments. Pour former un film liquide, optimisé sur le plan hydrodynamique, entre l'arbre 1 et la bague de glissement 12, la bague 12a située contre l'aile porte sur sa face active 13, c'est-à-dire en regard de l'arbre, une rainure périphérique continue 15, en liaison hydraulique avec la chambre à haute pression HD voisine, par de petits canaux 15 répartie sur la périphérie de la bague 12a. Pour permettre les déplacements d'équili- brage des bagues 12a, 12b, celles-ci sont constituées de segments 16. Les points d'appui les uns sur les autres des segments 16 de la bague 12a sont décalés par rapport à ceux des segments de la seconde bague 12b. On augmente ainsi l'étanchéité. pour assurer un contact étanche des bagues 12a et 12b sur l'arbre 1, on a prévu un ressort annulaire de tension 17. Celui-ci entoure la face externe d'un anneau de soutien segmenté 18, qui entoure lui-même les deux ba- gues de glissement 12a et 12b de manière à les appliquer contre l'arbre 1. La bague d'étanchéité 8 située à l'opposé de l'aile 9a bordant les bagues de glissement est du type à brosses. Les brosses 21 de cette bague, au contact de l'ar- bre, améliorent l'efficacité de la garniture 5 d'étanchéité sur l'arbre. La bague d'étanchéité 8 intercalée entre la bague à brosses 20 et les bagues de glissement 12a, 12b est une bague à barrage d'air 22. Des orifices radiaux 23 alimen- tent la fente 24 située entre l'arbre 1 et la surface péri- phérique interne de la bague 22 en air de barrage à une pression de barrage Ps. En service, cette pression Ps est réglée à une valeur comprise entre les pressions des cham- bres ND et HD. On obtient une étanchéité maximale en montant la garniture 5 d'étanchéité sur l'arbre dans le boîtier 2 de la machine de manière que les bagues de glissement 12a, 12b soient du côté de la chambre à haute pression HD, et l'étanchéité à brosses du côté de la chambre à basse pres- sion ND. R E V E N D I C A T IONS 1) Garniture étanche d'arbre pour assurer, l'étanchéité de deux chambres à pressions différentes, au moyen de bagues d'étanchéité montées l'une derrière l'autre dans le sens axial à l'intérieur d'un boîtier, une ou plu- sieurs de ces bagues étant des bagues de glissement consti- tuées de segments bout à bout périphériquement et appliqués élastiquement sur l'arbre, caractérisée en ce qu'il est prévu dans le boîtier (2), du côté à basse pression, une étanchéité à brosses (20), entre les bagues de glissement (12a, 12b) et délimitant avec l'arbre (1) une fente radiale (24) qui peut être alimentée en air de barrage à une pres- sion comprise entre les pressions de la chambre à haute pression (HD) et de la chambre à basse pression (ND). - 2) Garniture selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la matière constitutive des bagues de glisse- ment (12a, 12b) est une polyamide additionnée de graphite. 3) Garniture selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisée en ce que les bagues de glissement (12a, 12b) ne peuvent se déplacer périphériquement l'une par rapport à l'autre. 4) Garniture selon une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que les bagues de glissement (12a, 12b) délimitent entre le boîtier (2) et leur surface périphérique externe (19) une fente isolée de manière étan- che à la pression par rapport à la chambre à haute pression (HD). ) Garniture selon une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que les bagues de glissement (12a, 12b) sont entourées, le long de leur périphérie ex- terne (19) par un anneau d'appui (18) segmenté qui les ap- plique contre l'arbre (1), sous l'action d'un ressort de tension (17) reposant lui-même sur la face externe périphé- rique de l'anneau (18). 6) Garniture selon une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que les bagues d'étanchéité (12a, 12b, 20, 22) sont montées, en succession axiale, en- tre les ailes (9) d'un boîtier annulaire (10) présentant une section en U. 7) Garniture selon une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce qu'au moins la bague de glisse- ment (12a) située du côté de la haute pression porte, sur sa surface de frottement, une rainure périphérique (14)10 équipée d'organe permettant une liaison fluide avec la chambre à haute pression (HD).-