Brevet FR2827651A1 — publié le 20030124

La présente invention concerne un dispositif pour étancher et supporter un arbre fixe en translation et libre en rotation, traversant une enceinte contenant un gaz sous pression. Les enceintes de ce type sont traditionnellement équipées de deux systèmes distincts et séparés pour assurer d'une part : l'étanchéité du gaz à l'intérieur de l'enceinte et d'autre part : le support de l'arbre. Le dispositif, selon l'inventeur permet de simplifier et de réunir en un seul ensemble, l'étanchéité et le palier de l'arbre. En outre, on n'utilise pas de graissage ou d'huile pour le palier, ce qui diminue les risques de pollution, et préserve l'environnement. Le dispositif comporte suivant une première caractéristique un boîtier monté et centré sur l'enceinte contenant le gaz sous pression. Une chemise de faible épaisseur est montée à l'intérieur du boîtier et est arrêtée en translation et en rotation. L'arbre est monté glissant dans la chemise. Des rainures de quelques microns de profondeur sont usinées sur la périphérie de l'arbre de façon à entraîner le gaz vers l'extérieur de l'enceinte. Lorsque l'arbre tourne, le gaz entrainé par les rainures passe entre l'arbre et la chemise et fuit par un évent. L'effet dynamique du passage du gaz crée un auto centrage de l'arbre dans la chemise. Une partie du diamètre extérieur de la chemise limitée entre 2 joints peut être soumise à une pression. Cette pression permet de comprimer la chemise et par conséquent, de diminuer son diamètre. Le réglage de la pression permet de régler le jeu entre la chemise et l'arbre. Trop de jeu entre la chemise et l'arbre, les pertes de gaz sont importantes. Trop peu de jeu, l'échauffement est trop important. Le réglage de la pression permet également d'avoir un contact métal/métal de la chemise sur l'arbre et par conséquent une étanchéité absolue, lorsque ce dernier ne tourne pas. Par ailleurs, une ouverture dans la partie inférieure de la chemise permet d'envoyer une pression directement sur l'arbre, afin de compenser le poids de ce dernier. Ceci est nécessaire pour limiter le frottement de l'arbre sur la chemise, et l'usure au démarrage. Un dégagement dans la partie supérieure de la chemise permet de limiter la partie de la chemise en contact avec l'arbre. Un trou au milieu du dégagement permet d'évacuer la petite partie de gaz entraînée par les rainures de l'arbre. L'étanchéité autour de l'ouverture de la chemise est réalisé par deux joints circulaires et deux joints transversaux dans le boîtier. Selon des mode particuliers de réalisation : Une ou deux rangées de rainures peuvent être utilisées. Si deux rangées sont utilisées, le système de réglage du jeu entre la chemise et l'arbre est doublé. Une douille intermédiaire peut être montée et solidaire sur l'arbre. Dans ce cas, les rainures d'entraînement du gaz sont usinées sur cette douille. Cette manière de faire permet d'utiliser des matériaux différents de l'arbre, qui ont de meilleurs coefficients de frottement, et qui résistent mieux à l'usure. La chemise et la douille peuvent être montées avec ou sans bague de tolérance. Les bagues de tolérances permettent toutefois de centrer, et d'absorber les variations de diamètre, suivant la température, dues au coefficients de dilatation différents en fonction des matières. Un labyrinthe peut être intercalé pour diminuer l'effet de la pression de l'enceinte sur le dispositif Un gaz neutre peut être envoyé entre le labyrinthe et le boîtier. Ce gaz neutre injecté entre le boîtier et le labyrinthe avec une pression égale ou supérieure à la pression intérieure de l'enceinte sert de tampon. et permet d'isoler le gaz de l'enceinte, du dispositif. Ainsi, un gaz nocif reste contenu dans l'enceinte, la fuite générée par la rotation de l'arbre n'utilisant que ce gaz neutre. La forme et la profondeur des rainures peut être variable en fonction des pressions à étancher et de la taille des différents composants, mais se termine toujours avec une ou deux pointes. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure let 2 représente en coupe le dispositif de l'invention. La figure 3 et 4 représente en coupe une variante de ce dispositif Selon la figure 1 : Le dispositif comporte un boîtier (3) monté et centré sur l'enceinte (1) contenant le gaz sous pression, Le boîtier (3) possède des gorges pour les logements de joints (7) et (8) et pour les bagues de tolérance (6). Une chemise de faible épaisseur (4) est centrée intérieurement avec un jeu de quelques centièmes de mm sur l'arbre (2), et un jeu de quelques dixièmes de mm sur le boîtier (3). Le centrage du diamètre extérieur de la chemise (4) dans le boîtier (3) est réalisé par les bagues de tolérances (6) et les joints (7). Les parties en contact de la chemise et de l'arbre, doivent avoir une bonne qualité géométrique, et un état de surface proche d'un polimiroir. Une ouverture (10) est réalisée dans la partie inférieure de la chemise et un dégagement excentré (11) dans la partie supérieure. Le dégagement excentré est plus large que l'ouverture. Deux gorges circulaires (9) sur le diamètre intérieur de la chemise délimitent la largeur du dégagement excentré Ainsi : dans la partie inférieure ; entre les 2 gorges (9), l'arbre (2) et la chemise (4) ont seulement une zone de contact commune tout autour de l'ouverture. Dans la partie supérieure, entre les 2 gorges, l'arbre (2) et la chemise (4) n'ont pas de zone en contact. La chemise (4) est arrêtée en translation et en rotation par des ergots (5). Un usinage par un procédé électro érosion ou électro chimique de rainures (12) équidistantes est effectué sur l'arbre (2) avec un angle de 450 environ et sur une profondeur de 4 a 6 microns. L'extrémité des rainures se termine en pointe et se situe environ entre les 2 joints (7). Une entrée PI et P2 permettent d'alimenter en gaz les zones délimitées par les joints (7) Une sortie P4 sert d'évent Fonctionnement : a-l'arbre ne tourne pas : Une pression supérieure à la pression PO de l'enceinte (1) est envoyée en P2 Cette pression limitée par les joints (7) agit sur le diamètre extérieur de la chemise (4) et déforme élastiquement cette dernière. La chemise (4) vient en appui sur l'arbre (2). Le contact métal/metal de la partie lisse de l'arbre et de la chemise crée un barrage au gaz et donc une étanchéité absolue. b-l'arbre tourne : Au démarrage, une pression est envoyée en PI. Cette pression est limitée par les joints (7) et (8) et la zone de contact située autour de l'ouverture de la chemise (4) La pression PI traverse cette ouverture et produit une force qui pousse l'arbre (2) verticalement de bas en haut. Le produit de la pression PI x par la section d'ouverture de la chemise doit être égal ou légèrement supérieur au poids de l'arbre. Un débit de fuite très faible se crée entre la zone de contact arbre/chemise et s'échappe par l'évent P4. Ainsi, l'arbre est supporté par la pression Pl, et non par la chemise (4). Ceci est nécessaire pour éviter une usure prématurée par frottement, de l'arbre et de la chemise. Quand l'arbre (2) commence à tourner, le gaz sous pression PO de l'enceinte est entraîné par les rainures (12) situées à la périphérie coté gauche sur l'arbre. Le gaz à la pression PO, entrainé et poussé par l'effet dynamique des rainures, passe entre la chemise et l'arbre et s'échappe par l'évent P4. L'arbre se trouve auto-centré dans la chemise. L'étanchéité relative de l'enceinte, lorsque l'arbre tourne, est réglée par l'envoi d'une pression P2 entre les joints (7) sur la chemise (4) qui se trouve comprimée et qui diminue de diamètre. Un jeu de quelques microns est nécessaire entre la chemise et l'arbre. L'ajustement de la pression P2, qui permet de régler le jeu entre la chemise et l'arbre autorise le meilleur compromis : - trop de jeu donne une fuite de gaz importante, - trop peu de jeu donne un échauffement inacceptable. Selon une variante de la figure 3, une douille intermédiaire (16) peut être montée sur l'arbre (2). Ceci autorise l'emploi de matière dure possédant un coefficient de frottement bas et une bonne résistance à l'usure. Cette douille est rendue solidaire de l'arbre par les ergots 1 ou un usinage non représenté comme un clavetage et un écrou Un jeu de quelque dixièmes de mm est nécessaire entre l'arbre et la douille, pour compenser les variations de diamètre dues aux coefficients de dilatation différents. Le centrage de la douille intermédiaire sur l'arbre est réalisé par les bagues de tolérance (15) et les joints (14). Les rainures d'entraînement du gaz sont réalisées sur le diamètre extérieur de la douille. Une deuxième rangée de rainures peut être réalisée pour augmenter la portance de la douille. Le diamètre extérieur de la douille doit avoir une bonne géométrie et un état de surface proche du poli-miroir car, il est en contact avec la chemise (4) au démarrage. Un labyrinthe (13) peut être intercalé pour réduire la pression PO sur le dispositif. Une injection de gaz neutre avec une pression égale ou supérieure à la pression PO peut aussi être envoyé entre le labyrinthe et le dispositif par la connexion P5. Cette injection de gaz neutre permet d'isoler un gaz nocif dans l'enceinte, et permet le fonctionnement du dispositif. Le dispositif semble particulièrement destiné au compresseurs centrifuges. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour étancher et supporter un arbre fixe en translation et libre en rotation traversant une enceinte sous pression caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (3) dans lequel est centrée par les joints (7) et les bagues de tolérance (6) une chemise (4), qui centre l'arbre (2) sur lequel sont usinées les rainures (12) d'entraînement du gaz. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chemise (4) possède une ouverture (10) dans la partie inférieure, et un dégagement (11) dans la partie supérieure limité par les gorges (9). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que la chemise (4) peut être comprimée par une pression entre deux joints (7). 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le boîtier (3) possède des gorges pour les joint (7) et (8) qui étanchent le contour extérieur de l'ouverture (10) de la chemise (4). 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une douille intermédiaire avec une ou 2 rangée de rainures d'entraînement de gaz (12) peut être montée et centrée sur l'arbre (2) avec les joints (14) et les bagues de tolérance (15). 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une injection de gaz PI peut être envoyée dans l'ouverture (10) de la chemise. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un labyrinthe (13) peut être intercalé entre la pression PO de l'enceinte et le dispositif proprement dit. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une pression de gaz neutre peut être injecté à une pression égale ou supérieure à la pression PO de l'enceinte entre le labyrinthe (13) et le dispositif proprement dit. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la forme des rainures (12) se termine avec une ou deux pointes. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie gauche de la deuxième rangée des rainures (12) de la douille doit se situer entre la gorge (9).