Brevet FR2757221A1 — publié le 19980619

La présente invention est relative aux pompes hydrauliques et notamment à celles destinées au refoulement de liquides agressifs dans l'industrie chimique, pétrochimique, alimentaire ou autres, pour lesquelles l'étanchéité entre le carter fixe de l'appareil et l'arbre d'entrainement rotatif est réalisée en fonctionnement, non pas par un joint ou une garniture mécanique qui ne sont généralement pas adaptés à de telles conditions d'utilisation, mais par un anneau liquide qui s'établit sous l'effet de la force centrifuge à la périphérie de la roue d'une turbine auxiliaire, doublant la turbine principale de la pompe qui refoule le liquide aspiré vers une volute de décharge, la pression du liquide en rotation dans cet anneau étant en équilibre avec celle créée par la face en regard de la roue de la turbine principale. Dans une pompe de ce genre toutefois, un problème se pose lors de l'arrêt de celle-ci et plus particulièrement pendant les phases de démarrage ou de ralentissement de la vitesse d'entraînement de la turbine principale, alors que, la pompe n'ayant pas atteint son plein régime, l'anneau d'étanchéité dynamique n'est pas encore établi et maintenu par la turbine auxiliaire. Pour tenter de pallier cet inconvénient, l'arbre de la pompe comporte un manchon coaxial, supportant une bride, laquelle est associée à une rondelle, liée en rotation avec l'arbre et la bride mais propre à se déplacer axialement sur la surface externe du manchon par rapport à la bride, sous l'effet de moyens commandés par la force centrifuge exercée, cette rondelle, qui comprend extérieurement un joint entourant l'arbre et apte à venir en appui sur une portée du carter de la pompe, réalisant l'étanchéité nécessaire. A l'arrêt, le joint s'applique dans ces conditions sur la portée du carter, notamment grâce à la présence d'un ressort de rappel monté entre la rondelle et la bride, isolant la région interne de la pompe vis-à-vis de l'extérieur. Lorsque la vitesse de rotation de l'arbre d'entraînement de la pompe est limitée, au démarrage ou dans la phase de ralentissement qui précède l'immobilisation de sa partie tournante, le joint porté par la rondelle, elle-même entrainée en rotation avec l'arbre, glisse et frotte sur la portée du carter, aussi longtemps que la force centrifuge n'a pas atteint un niveau suffisant pour écarter la rondelle et le joint en comprimant le ressort de rappel, la rondelle coulissant sur le manchon coaxial à l'arbre, en créant l'anneau liquide d'étanchéité qui se substitue progressivement au joint. Il en résulte un frottement notable et plus ou moins prolongé du joint contre cette portée, occasionnant après plusieurs cycles de démarrage et d'arrêt une usure rapide de ce joint et des pièces qui lui sont associées, avec à terme un défaut d'étanchéité à l'arrêt de la pompe, nécessitant le remplacement du joint et de ces pièces, donc la mise en oeuvre d'opérations généralement longues et complexes de démontage et de remontage du carter de la pompe, rendues d'autant plus délicates du fait de la nature agressive du liquide normalement véhiculé par la pompe. Dans un mode de réalisation connu dans la technique, notamment dans les pompes du genre concerné, telles que celles connues sous la référence CPK.D, fabriquées et commercialisées par la Société des Pompes GUINARD du Groupe KSB, conformes à la norme 150 2858 / DIN 24256, la partie dynamique du mécanisme, comprenant la rondelle et le joint, est donc désolidarisée de la partie statique au démarrage, grâce à la présence de leviers en L, articulés sur la bride solidarisée du manchon coaxial à l'arbre d'entraînement, la force centrifuge créée au démarrage faisant pivoter la branche la plus allongée de ces leviers autour de leurs axes, tandis que leur autre branche vient s'appuyer sur un épaulement de la rondelle en déplaçant progressivement celle-ci à l'encontre du ressort, logé entre cette rondelle et le fond d'un évidement ménagé dans la bride autour du manchon, où peut ainsi coulisser la rondelle en supprimant le contact du joint avec sa portée d'appui sur le carter. A l'inverse, lorsque l'arrêt de la pompe est commandé, la force centrifuge diminue, les leviers pivotant progressivement en sens inverse, le joint porté par la rondelle venant à nouveau au contact du carter. La présente invention est relative à un perfectionnement apporté à une garniture d'étanchéité pour une pompe hydraulique du genre précité, notamment en vue d'éviter au démarrage et à l'arrêt de la pompe l'usure prématurée du joint porté par la rondelle mobile vis-à-vis de la bride du manchon, en reportant sur une pièce qui n'est plus fixe, comme c'est le cas de la portée du carter dans l'art antérieur, mais ici déplaçable, les contraintes de friction dues au joint, en limitant d'autant l'usure de ce dernier qui n'est plus en contact frottant avec sa surface d'appui, laquelle est entraînée en rotation avec le joint lui-même. A cet effet, la garniture d'étanchéité considérée, pour une pompe hydraulique comportant, d'une part un carter fixe entourant un arbre rotatif d'entraînement d'une turbine principale et d'une turbine auxiliaire s'étendant respectivement dans deux plans voisins et parallèles, cette turbine auxiliaire réalisant en fonctionnement, à l'intérieur du carter, un anneau liquide en équilibre avec la pression de ce liquide créée dans le carter par la face en regard de la turbine principale, d'autre part une bride, solidaire d'un manchon coaxial à l'arbre d'entraînement, tournant avec celui-ci, cette bride supportant une rondelle apte à se déplacer axialement sur le manchon à l'encontre d'un ressort de rappel monté entre la bride et la rondelle, celle-ci coopérant avec un joint d'étanchéité, supporté par le carter et appliqué sur une portée d'appui de la rondelle ou vice versa, lors des phases de démarrage ou d'arrêt de la pompe ou écarté de cette portée consécutivement au déplacement de la rondelle sous l'effet de la force centrifuge créée par la rotation de l'arbre, se caractérise en ce que le joint d'étanchéité est rapporté sur la surface d'extrémité d'une bague cylindrique, montée à rotation autour du manchon coaxial et supportée par une entretoise solidarisée du carter par l'intermédiaire d'un roulement à billes, de telle sorte que l'application du joint sur la rondelle provoque une réaction, entraînant la bague cylindrique en rotation sur l'entretoise, sans frottement relatif de ce joint. Grâce à ces dispositions, le roulement à billes logé entre la bague rotative et l'entretoise solidaire du carter fixe, encaisse la réaction du joint sur sa portée d'appui contre la rondelle, la bague tournant librement sur le roulement prévu entre elle et l'entretoise, en évitant ainsi une usure préjudiciable, chaque fois que la force centrifuge créée au démarrage et lors de l'arrêt de la pompe n'est pas suffisante pour écarter complètement la rondelle du joint. Dans un mode de réalisation préféré, l'entretoise est constituée par une pièce cylindrique, prolongée par un épaulement coaxial au manchon et sur lequel est fixée une des parties de la cage du roulement, l'autre partie étant entourée et solidarisée par un épaulement de la bague, disposé en regard de celui de l'entretoise. Selon une autre caractéristique, la rondelle est montée à coulissement dans un évidement cylindrique de la bride, délimité entre celle-ci et le manchon coaxial à l'arbre. D'autres caractéristiques d'une garniture d'étanchéité dynamique pour pompe hydraulique, établie conformément à l'invention, apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - La Figure 1 est une vue schématique, en coupe axiale, d'une pompe hydraulique comportant une garniture d'étanchéité classique dans l'état de la technique. - La Figure 2 est une vue en coupe partielle, analogue à la Figure 1 mais comportant une garniture perfectionnée conformément à la présente invention, la rondelle étant représentée appliquée contre le joint rapporté sur la bague cylindrique, comme lors des phases de démarrage ou d'arrêt de la pompe. - La Figure 3 est une autre vue en coupe, illustrant la rondelle en position écartée du joint, - comme lors du fonctionnement en régime normal de la pompe. Sur ces figures, on a repris des chiffres de référence identiques pour désigner les mêmes organes de l'une à l'autre. Sur la Figure 1, la référence 1 désigne dans son ensemble une pompe hydraulique d'un type en lui-même connu dans la technique, notamment du genre d'une pompe normalisée pour le transfert de produits chimiques ou autres, en particulier de nature agressive, dans laquelle en conséquence l'étanchéité en fonctionnement est réalisée par un anneau liquide créé par la force centrifuge. Du fait qu'une telle pompe est en elle-même bien connue dans la technique, il n'est pas nécessaire de la décrire ici par le détail, l'énumération de ses principaux composants étant seule utile pour la compréhension de l'invention. La pompe comporte notamment un carter fixe 2 en plusieurs parties telles que 2a, 2b, 2c, assemblées entre elles et un arbre d'entraînement 3 supporté à l'intérieur du carter 2 par des paliers tels que 4 et 5. A l'extrémité de l'arbre, à gauche sur la Figure 1, est montée sur celui-ci une turbine principale 6, permettant d'aspirer le liquide à pomper par une tubulure d'entrée 7 en le refoulant dans une volute de décharge 8. De façon également connue dans ce type de pompe, l'arbre 3 supporte, au voisinage de la roue de la turbine principale 6, une turbine auxiliaire 9, laquelle est aménagée de manière à créer, en fonctionnement, un anneau liquide d'étanchéité, entre la périphérie de cette turbine et le carter, la pression du liquide dans cet anneau étant en équilibre avec celle due par des ailettes auxiliaires 10 prévues au dos de la roue de la turbine principale. Sur le dessin, la zone où s'établit l'anneau liquide d'étanchéité est schématiquement indiquée par la ligne 11 en traits interrompus. Comme on le conçoit immédiatement, l'anneau liquide d'étanchéité n'est présent à l'intérieur du carter que dans la mesure où la pompe a atteint son régime nominal de fonctionnement. En particulier, lors des périodes de démarrage ou de ralentissement quand l'arrêt du moteur d'entraînement de la pompe est mis hors circuit, un tel anneau disparaît, de telle sorte que la pompe doit nécessairement comporter une garniture d'étanchéité complémentaire, afin d'éviter que le liquide à pomper, éventuellement sous pression, ne chemine le long de la roue de la turbine principale et, au-delà de la turbine auxiliaire, ne provoque une fuite sur la surface de l'arbre d'entraînement 3. Pour éviter cet inconvénient, la pompe connue de la Figure 1 comporte une paroi 12, s'étendant à partir du carter 2 dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'arbre 3, cette paroi comportant, disposée au voisinage de l'arbre et coaxialement à celui-ci, une bague 13 montée sur une entretoise de support 14. La bague 13 comprend, à son extrémité opposée à celle dirigée vers les turbines de la pompe, un logement pour un joint torique d'étanchéité 15, destiné précisément à assurer l'isolation des régions situées, à l'intérieur du carter de part et d'autre de la paroi 12. La bague 13 est bloquée dans un alésage de la paroi 12, avec interposition de deux joints à lèvre 50, maintenus en place par l'entretoise 14. Le joint 15 permet en particulier que le fluide véhiculé par la pompe, qui chemine le long de l'arbre 3, ne s'échappe à l'extérieur. Dans ce but, l'arbre 3 comporte un manchon coaxial 16 sur la surface extérieure duquel est montée et solidarisée une bride 17, par conséquent entraînée en rotation avec l'arbre lors du fonctionnement de la pompe. Cette bride comporte un évidement 18, autour du manchon 16 dans lequel peut se déplacer une rondelle 19, à l'encontre d'un ressort de rappel 20, logé dans l'évidement entre le fond de celui-ci et la surface en regard de la rondelle. La bride 17 comporte une extension 21 sur laquelle sont articulés autour d'axes 22, plusieurs leviers tels que 23, régulièrement répartis autour de l'axe 3, ces leviers présentant une forme générale en L, dont les grandes branches 24 sont conformées de telle sorte que, lorsque l'arbre est entraîné en rotation, ces leviers 23 pivotent autour de leurs axes d'articulation 22, les grandes branches 24 s'écartant de l'axe comme représenté sur la Figure 3, laquelle sera décrite plus en détail ultérieurement. Consécutivement à ce pivotement, les petites branches 25 des leviers 23 exercent un effort sur un épaulement transversal 26 prévu sur la rondelle 19, de telle sorte que cette dernière soit repoussée à l'intérieur de l'évidement 18, à l'encontre du ressort 20, la rondelle écartant de ce fait sa surface d'extrémité 27 du joint 15 porté par la bague 13 solidaire de la paroi 12 du carter 2. On comprend donc que dans la pompe classique représentée, aussi longtemps que la force centrifuge n'est pas suffisante pour permettre l'établissement de l'anneau liquide dans la région 11 et simultanément faire pivoter les leviers 23, l'étanchéité vers l'extérieur est réalisée par appui du joint torique 15 sur la portée constituée par la surface d'extrémité 27 de la rondelle 19, de sorte que, lors des phases de démarrage et d'arrêt, se produit un frottement important de ce joint fixe sur la surface en mouvement de la rondelle, elle-même entrainée avec sa bride de support 17 et le manchon 16 coaxial à l'arbre 3. Un tel frottement engendre inéluctablement, après un nombre limité de cycles de démarrage et d'arrêt, une usure rapide du joint 15, voire du manchon 16 qui n'est plus maintenu coaxial à l'arbre 3 par les joints 50, ce qui exige leur remplacement fréquent et nécessite un démontage du carter et la mise en oeuvre d'opérations délicates du fait notamment de l'agressivité du liquide véhiculé par la pompe. Conformément à l'invention, la pompe représentée sur la Figure 1 est perfectionnée par les dispositions illustrées sur les Figures 2 et 3, à l'arrêt et en fonctionnement normal de cette pompe. A cet effet, la paroi 12 qui prolonge vers l'intérieur le carter 2 en direction de l'arbre d'entraînement 3, comporte une entretoise 28 qui entoure coaxialement le manchon 16. Cette entretoise comprend un épaulement 29, en forme de jupe, cette entretoise étant associée à une bague 30, comportant elle-même un épaulement similaire 31, séparé de l'épaulement 29 de manière à permettre de disposer entre eux un roulement-à billes 32 dont les cages 33 et 34 sont respectivement solidarisées de ces deux épaulements, la bague 30 pouvant ainsi librement tourner sur l'entretoise fixe 28, avec un frottement pratiquement nul grâce au roulement 32. La bague 30 comporte dans sa surface opposée, en regard de la rondelle 19, une rainure de réception du joint d'étanchéité 15, lequel est, selon le cas, appliqué contre la surface d'extrémité 27 de cette rondelle (Figure 2), ou écarté de celleci (Figure 3), lorsque le pivotement des leviers 23 a déplacé cette rondelle dans l'évidement 18 à l'encontre du ressort 20. On réalise ainsi un dispositif très simple qui évite l'usure du joint, puisque la réaction due à l'application de la rondelle sur le joint, lorsque ces deux éléments sont en contact, est intégralement reprise par le roulement à billes. La garniture proposée assure dans ces conditions une double fonction, statique pendant le démarrage et l'arrêt de la pompe, grâce au joint d'étanchéité appliqué sur sa rondelle, dynamique lorsque la pompe a atteint un régime de vitesse suffisant, par l'anneau liquide stabilisé par la turbine auxiliaire, cet anneau empêchant toute projection du liquide véhiculé dans la pompe vers l'extérieur, en même temps que toute pénétration d'air externe dans le trajet de ce liquide. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation plus spécialement décrit ci-dessus en référence aux dessins annexés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier, dans cet exemple, on a prévu que le joint torique d'étanchéité était porté par la bague cylindrique supportée par le roulement à billes. En variante, on pourrait aussi bien prévoir que ce joint soit monté à l'extrémité de la rondelle coulissante, sa portée d'appui étant cette fois aménagée sur la bague cylindrique elle-même. REVENDICATIONS 1 - Garniture d'étanchéité dynamique, pour une pompe hydraulique comportant, d'une part un carter fixe (2) entourant un arbre rotatif (3) d'entraînement d'une turbine principale (6) et d'une turbine auxiliaire (9) s'étendant respectivement dans deux plans voisins et parallèles, cette turbine auxiliaire réalisant en fonctionnement, à l'intérieur du carter, un anneau liquide (11) en équilibre avec la pression de ce liquide créée dans le carter par la face en regard de la turbine principale, d'autre part une bride (17), solidaire d'un manchon (16) coaxial à l'arbre d'entraînement, tournant avec celui-ci, cette bride supportant une rondelle (19) apte à se déplacer axialement sur le manchon à l'encontre d'un ressort de rappel (20) monté entre la bride et la rondelle, celle-ci coopérant avec un joint d'étanchéité (15), supporté par le carter et appliqué sur une portée d'appui de la rondelle ou vice versa, lors des phases de démarrage ou d'arrêt de la pompe ou écarté de cette portée consécutivement au déplacement de la rondelle sous l'effet de la force centrifuge créée par la rotation de l'arbre, caractérisée en ce que le joint d'étanchéité (15) est rapporté sur la surface d'extrémité d'une bague cylindrique (30), montée à rotation autour du manchon coaxial (16) et supportée par une entretoise (28) solidarisée du carter par l'intermédiaire d'un roulement à billes (32), de telle sorte que l'application du joint sur la rondelle provoque une réaction, entraînant la bague cylindrique en rotation sur l'entretoise, sans frottement relatif de ce joint. 2 - Garniture d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entretoise (28) est constituée par une pièce cylindrique, prolongée par un épaulement (29) coaxial au manchon (16) et sur lequel est fixée une des parties (34) de la cage du roulement (32), l'autre partie (33) étant entourée et solidarisée par un épaulement (31) de la bague (30), disposé en regard de celui de l'entretoise. 3 - Garniture d'étanchéité selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la rondelle (19) est montée à coulissement dans un évidement cylindrique (18) de la bride (17), délimité entre celle-ci et le manchon (16) coaxial à l'arbre (3).