Brevet FR2817938A1 — publié le 20020614

Joint d'étanchéité d'arbre L'invention concerne un joint d'étanchéité disposé entre un arbre et une ouverture de carter, qui isole l'une de l'autre deux chambres de pressions différentes, à l'exception d'une fente annulaire résiduelle qui autorise une faible fuite provoquée par un courant de fente. Des joints d'étanchéité d'arbre à courant de fuite, tels que des joints d'étanchéité à bague flottante ou des presse-étoupes, ont pour tâche d'amortir une différence donnée de pression avec un courant de fuite de volume minimal. Les joints d'étanchéité d'arbre connus ont en commun d'être d'une structure compliquée. De plus, les presse-étoupes ont un coût d'exploitation relativement élevé, du fait du contrôle et de l'entretien nécessaires. Quant aux joints d'étanchéité à bague flottante, ils produisent une perte de fuite relativement élevée. L'invention vise un joint d'étanchéité d'arbre qui puisse remplacer les joints d'étanchéité d'arbre cités et qui, avec une faible dépense de pièces, de montage et d'entretien, n'autorise plus qu'un courant de fuite de très faible volume. On y parvient, suivant l'invention, par une douille entourant en étanchéité l'arbre, pourvue d'une ou plusieurs rainures dans laquelle ou lesquelles est respectivement disposé avec un faible jeu axial un élément annulaire élastique ouvert par une fente s'étendant longitudinalement, la différence de pression régnant entre les côtés frontaux axiaux d'un élément annulaire appliquant l'élément annulaire en étanchéité contre l'ouverture de carter de telle sorte que le courant de fente est dirigé par la fente annulaire présente entre la rainure et l'élément annulaire. Lors du montage du joint d'étanchéité d'arbre, l'élément annulaire peut s'élargir grâce à la fente qui s'ouvre, et être enfilé au-dessus du bord de la douille, pour s'enclencher finalement dans la rainure qui le reçoit. La fente présente dans l'élément annulaire forme, dans la mesure o 2 2817938 elle est ouverte, une liaison fluidique entre les côtés frontaux de l'élément annulaire. L'élément annulaire ferme la fente annulaire existante entre lui et l'ouverture de carter. Le courant de fente ne s'écoule maintenant plus que par la fente présente dans l'élément annulaire lui-même, et par la fente qui existe entre l'élément annulaire et les parois voisines de la rainure recevant l'élément annulaire. Les pressions différentes qui règnent dans les fentes entre les faces frontales de l'élément annulaire et les parois latérales de délimitation de la rainure située entre le côté haute pression et le côté basse pression, produisent une force axiale agissant sur l'élément annulaire. Cette force axiale déplace l'élément annulaire en direction du côté basse pression, de sorte que la largeur de la fente annulaire qui s'y trouve est réduite et que son effet d'étranglement est augmenté. Le comportement tribologique du joint d'étanchéité d'arbre est fonction de l'appariement choisi de matériaux pour l'élément annulaire et la douille qui reçoit cet élément, ainsi que de la force axiale résultante, qui presse le côté frontal de l'élément annulaire contre le flanc de la rainure. Avec un choix approprié de la géométrie de l'anneau, c'est-àdire du rapport entre la longueur I de l'anneau et les diamètres di intérieur et da extérieur de l'anneau, on peut réduire la force Fax axiale résultante suffisamment pour que l'effet d'étranglement produit par la diminution de la fente soit conservé sans qu'apparaisse entre la face frontale de l'anneau et la face de flanc de la rainure une usure par frottement mixte, c'est-à-dire pour qu'un film lubrifiant hydrodynamique soit formé et conservé. Du fait des relations de forces agissantes, l'élément annulaire est à autoréglage. Cela est obtenu par le fait qu'une partie de la force axiale est, en tenant compte du coefficient p existant de frottement statique, compensée par la force de frottement statique qui apparaît du fait de I'application de la surface latérale de l'anneau contre la paroi du carter. Ces conditions sont remplies si la géométrie de l'élément annulaire est choisie conforme à la formule 4ld 3 2817938 L'obtention et la conservation du film lubrifiant hydrodynamique sont favorisées par des structures régulières ou irrégulières pratiquées dans la surface frontale, telle que des gorges, rainures ou renforcements. Des perçages longitudinaux, qui relient les faces frontales axiales, favorisent la formation du film lubrifiant et améliorent l'effet d'autoréglage de l'élément annulaire. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, la fente disposée dans un élément annulaire possède une forme de développement augmentant la longueur de la fente. Dans une vue de dessus sur une projection développée de la surface d'un élément annulaire, la fente ne s'étend pas en ligne droite par le chemin le plus court entre les côtés frontaux, mais possède au contraire une allure oblique, ondulée, courbe, en méandres ou en zigzag, ou toute autre allure divergeant d'une droite. Une telle forme de la fente permet d'influer sur l'effet d'étranglement à l'intérieur de la fente. Afin d'augmenter encore l'effet d'étranglement de la fente ou de fermer totalement la fente, on peut insérer dans la fente un moyen d'étanchéité. Ce dernier peut être formé par une bande d'étanchéité en matériau élastiquement flexible. Toutefois, suivant un autre mode de réalisation de l'invention, la fente ouvrant l'anneau peut aussi, à la suite du montage de l'anneau dans la rainure de la douille qui le porte, être hermétiquement fermée par l'introduction d'un matériau apte à l'écoulement lors de sa mise en place. Il faut ici observer que la possibilité d'élargissement de l'anneau par la pression régnante ne doit pas être remise en cause par une telle mesure. L'élément annulaire lui-même, ou des parties de cet élément, peuvent être réalisés en un matériau élastique résistant à la pression. Les formes de réalisation ne sont pas limitées à des sections d'anneau rectangulaires. Au contraire, I'effet revendiqué vaut également pour des exécutions d'anneau angulaires ou trapézoïdales. On obtient un agencement particulier par la disposition en série de plusieurs anneaux. Un agencement intégré est obtenu par le fait que le fond de la rainure et le contour intérieur de l'élément annulaire sont formés par des encoches rectilignes ou d'une autre forme, qui s'engagent ainsi les unes dans les autres. Le joint d'étanchéité d'arbre suivant l'invention convient pour être utilisé à la place d'un presse-étoupe ou d'un joint d'étanchéité à bague flottante, donc également pour remplacer un joint de ce genre lors d'un rééquipement. Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure I est une vue de détail d'une turbomachine dotée d'un joint d'étanchéité d'arbre suivant l'invention, qui remplace un presse-étoupe; la figure 2 est une vue de détail d'une autre turbomachine dotée d'un joint d'étanchéité d'arbre suivant l'invention, qui remplace un joint d'étanchéité à bague flottante; les figures 3 et 4 représentent sous deux vues différentes un élément annulaire utilisé dans le joint d'étanchéité d'arbre suivant I'invention les figures 5 à 10 représentent différentes variantes d'exécution d'éléments annulaires. La vue de détail représentée sur la figure 1 montre des parties d'un carter 1 de pompe centrifuge et d'un arbre 2 traversant le carter 1. Le carter 1 de pompe centrifuge possède une ouverture 3 de carter, dans laquelle est disposé un joint d'étanchéité d'arbre. Dans la partie inférieure de la figure 1, le joint d'étanchéité d'arbre est formé par un presse-étoupe 4, dont les anneaux 5 individuels de garniture sont maintenus sous une compression initiale prescrite par un fouloir 6 de presse-étoupe et plusieurs boulons 7 filetés et écrous 8 répartis sur la circonférence. Afin d'éviter que les anneaux 5 de garniture produisent une usure de l'arbre 2, l'arbre 2 est entouré d'un manchon 9 remplaçable. Afin d'empêcher un courant de fuite entre l'arbre 2 et le manchon 9, la fente existante entre ces éléments doit être fermée par un joint 10 d'étanchéité statique. La compression du presse-étoupe 4 qui s'établit pendant le fonctionnement de la pompe centrifuge est décisive pour la fente résiduelle entre le presse-étoupe 4 et le manchon 9, et donc pour le degré d'étanchement. Il faut ici faire en sorte que le réglage de la compression, qui s'effectue à l'aide des écrous 8, d'une part apporte un étanchement suffisant, 2817938 mais d'autre part n'engendre pas un blocage de l'arbre 2 ou une usure accrue du presse-étoupe 4 et du manchon 9. Toutefois, étant donné qu'une certaine usure apparaît forcément, même avec le meilleur réglage de compression possible, le joint d'étanchéité d'arbre doit être régulièrement contrôlé, et périodiquement réajusté. Enfin, il faut, au bout d'un temps donné, remplacer les anneaux 5 de garniture et éventuellement le manchon 9. On peut aisément constater que le joint d'étanchéité d'arbre comportant un presse-étoupe est très compliqué quant à sa structure et son entretien, et qu'en cas d'insuffisance de contrôle et d'entretien, on peut s'attendre à une augmentation considérable du volume de fuite. Le joint 11 d'étanchéité à bague flottante représenté dans la partie inférieure de la figure 2 nécessite une dépense d'entretien beaucoup plus faible. Mais il produit un volume de fuite relativement élevé, et n'est donc utilisable que pour un spectre d'applications étroitement limité. Par ailleurs, il possède lui aussi l'inconvénient d'une structure compliquée. Comme on peut déjà le constater du premier coup d'oeil, le joint 12 d'étanchéité d'arbre suivant l'invention, représenté sur les parties supérieures des figures 1 et 2, possède une structure relativement simple, avec seulement quelques pièces, peu compliquées: une douille 13, qui porte dans une rainure 14 un élément 15 annulaire, est enfilée sur l'arbre 2. Comme le montrent les figures 3 et 4, l'élément 15 annulaire est doté d'une fente 16 s'étendant axialement. La fente 16 autorise une déformation de telle sorte que l'élément 15 annulaire peut être enfilé sur la douille 13, et amené en enclenchement dans la rainure 14. L'élément 15 annulaire possède un petit jeu axial par rapport aux parois frontales de la rainure 14 qui le reçoit. Cela est important en vue du volume de fuite qui peut être atteint, et du comportement tribologique du joint 12 d'étanchéité d'arbre: pendant le fonctionnement de la pompe centrifuge, l'élément 15 annulaire, du fait de la différence de pression régnant entre l'intérieur de la pompe et l'atmosphère, et donc de la pression qui s'établit dans la fente entre la rainure 14 et le diamètre intérieur de l'élément 15 annulaire, est d'une part pressé en étanchéité contre l'ouverture 3 de carter; d'autre part, I'élément 15 annulaire est pressé axialement en direction de la face frontale de la rainure 14 qui est située côté atmosphère. En conséquence, la fente qui se trouve à 6 2817938 cet endroit se rétrécit, son effet d'étranglement augmente, et le volume de fuite diminue. Le comportement tribologique de l'appariement rainure 14/élément 15 annulaire est fonction des matériaux choisis pour cet appariement et de la force axiale résultante, qui presse le côté frontal de l'élément 15 annulaire contre le flanc de la rainure 14. La géométrie de l'anneau (rapport de la longueur! de l'anneau aux diamètres di intérieur et da extérieur de l'anneau) conçue conforme à la formule 4L 4 di 2) a pour conséquence que la force Fax axiale résultante est suffisamment réduite pour que l'effet d'étranglement produit par le rétrécissement de la fente soit conservé sans qu'apparaisse entre la face frontale de l'élément 15 annulaire et la face de flanc de la rainure 14 une usure par frottement mixte, c'est-à-dire pour qu'un film lubrifiant hydrodynamique soit formé et conservé. Du fait des relations de forces agissantes, l'élément 15 annulaire est à autoréglage. Cela est obtenu par le fait qu'une partie de la force axiale est, en tenant compte du coefficient p existant de frottement statique, compensée par la force de frottement statique qui apparaît du fait de l'application de la surface latérale extérieure de l'élément 15 annulaire contre l'ouverture 3 de carter. La fente 16 dans l'élément 15 annulaire offre une autre voie au courant de fuite. Le volume du courant de fuite qui s'y écoule est déterminé par la largeur et la longueur de la fente 16, donc par l'effet d'étranglement qui y est produit. L'effet d'étranglement peut être augmenté en modifiant l'allure et donc la longueur de la fente 16. Les figures 5 et 6 en montrent des exemples. La fente 17 s'étendant de façon ondulée dans l'élément 18 annulaire de la figure 5, tout comme la fente 19 en méandres dans l'élément 20 annulaire de la figure 6, augmentent la longueur de fente disponible pour l'étranglement, et donc l'effet d'étranglement. Par ailleurs, on obtient un effet d'étranglement supplémentaire par la déviation du courant de fuite qui a lieu à l'intérieur d'une fente 17 ou 19. En dehors des formes de fente représentées, on peut aussi envisager d'autres exécutions, comme une allure de fente en zigzag ou des combinaisons quelconques de différents tracés linéaires. Les figures 7 et 8 représentent comme variante possible un élément 21 annulaire qui est pourvu de perçages 22 s'étendant axialement. Les perçages 22 amènent du liquide du côté de plus haute pression vers le côté de plus basse pression de l'élément 21 annulaire. Le liquide qui s'échappe par le côté frontal correspondant joue le rôle de film lubrifiant entre ce côté frontal et la paroi voisine (non représentée ici) de la rainure. Les figures 9 et 10 représentent une autre variante de configuration de l'élément annulaire. L'élément 23 annulaire représenté ici est pourvu d'encoches 24, qui s'engagent dans des bossages annulaires correspondants à l'intérieur de la rainure de la douille (non représentée) recevant l'élément 23 annulaire. On n'a également pas représenté sur les dessins des exécutions suivants lesquelles la fente recevant l'élément annulaire est fermée par un moyen d'étanchéité à introduire en plus. Un moyen d'étanchéité de ce genre peut être par exemple formé par un élément flexible inséré dans la fente, qui est temporairement comprimé lors de l'introduction de l'élément annulaire dans le carter ou encore dans la douille installée sur ce carter, afin de remplir la fente à la suite de l'élargissement consécutif de l'élément annulaire. Mais il peut aussi consister en un moyen d'étanchéité apte à l'écoulement lors de sa mise en place, qui est introduit dans la fente à la suite du montage de l'élément annulaire et qui remplit la fente dans son état de service. Un moyen d'étanchéité de ce genre est capable, suivant son type et son mode d'installation, soit d'augmenter l'effet d'étranglement de la fente, soit d'y empêcher totalement tout courant de fuite. 8 2817938 REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité disposé entre un arbre et une ouverture de carter, qui isole l'une de l'autre deux chambres de pressions différentes, à l'exception d'une fente annulaire résiduelle qui autorise une faible fuite provoquée par un courant de fente, caractérisé par une douille (13) entourant en étanchéité l'arbre (2), pourvue d'une ou plusieurs rainures (14) dans laquelle ou lesquelles est respectivement disposé avec un faible jeu axial un élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire élastique ouvert par une fente (16, 17, 19) s'étendant longitudinalement, la différence de pression régnant entre les côtés frontaux axiaux d'un élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire appliquant l'élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire en étanchéité contre l'ouverture (3) de carter de telle sorte que le courant de fente est dirigé par la fente annulaire présente entre la rainure (14) et l'élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire. 2. Joint d'étanchéité d'arbre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la fente (16, 17, 19) ouvrant l'élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire constitue une liaison fluidique de transmission de pression entre les côtés frontaux de l'élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire. 3. Joint d'étanchéité d'arbre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fente (17, 19) ouvrant l'élément (18, 20) annulaire possède une forme de développement augmentant la longueur de la fente. 4. Joint d'étanchéité d'arbre suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la fente (17, 19) possède une allure oblique, ondulée, courbe, en méandres ou en zigzag, ou toute autre allure divergeant d'une droite. 5. Joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les dimensions géométriques de l'élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire satisfont à la condition 9 2817938 41f d '' 2 1 1d 2 4( di di 2(d 1 o da est le diamètre extérieur de l'élément annulaire, di est le diamètre intérieur de l'élément annulaire, p est le coefficient de frottement statique, et / est la longueur de l'élément annulaire. 6. Joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la fente d'étanchéité, traversée par un flux radial côté basse pression, entre l'élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire et la rainure (14) est réglée à une valeur minimale par la force axiale résultante qui est ici active. 7. Joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément (23) annulaire est pourvu de perçages (22) axiaux reliant les côtés frontaux. 8. Joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un moyen d'étanchéité est inséré dans la fente (16,17,19) ouvrant l'élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire. 9. Joint d'étanchéité d'arbre suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'une bande d'étanchéité en matériau élastiquement flexible est insérée dans la fente (16,17, 19). 10. Joint d'étanchéité d'arbre suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'on insère un moyen d'étanchéité apte à l'écoulement lors de sa mise en place, qui ferme la fente (16,17, 19) dans son état de service. 11. Joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les faces frontales de l'élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire sont pourvues d'un profilage ou de structures régulières ou irrégulières, telles que gorges, rainures ou renfoncements. 12. Joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'un élément (15, 18, 20, 21, 23) annulaire ou des parties de cet élément sont réalisés en un matériau élastique résistant à la pression. 13. Joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'élément annulaire possède une 2817938 forme de section divergeant de la forme rectangulaire, par exemple une forme angulaire ou trapézoïdale. 14. Joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications I à 13, caractérisé par une disposition en série de plusieurs éléments annulaires à l'intérieur d'un nombre correspondant de rainures dans la douille. 15. Joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le fond de la rainure (14) de la douille (13) et le contour intérieur de l'élément (23) annulaire sont formés par des encoches rectilignes ou d'une autre forme, qui s'engagent les unes dans les autres lorsque le joint (12) d'étanchéité d'arbre est monté. 16. Utilisation d'un joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15 comme joint de remplacement pour un presse-étoupe. 17. Utilisation d'un joint d'étanchéité d'arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15 comme joint de remplacement pour un joint d'étanchéité à bague flottante.