Brevet FR2911166A1 — publié le 20080711

POMPE A ENTRAINEMENT MAGNETIQUE ET ETANCHEITE COULISSANTE Domaine technique de l'invention Le présent brevet s'applique principalement aux pompes à entraînement 10 magnétique, dans lesquelles la partie active en rotation, désignée ci-après par le terme rotor , est libre, et associée à une roue à aubes. L'avantage de ces pompes réside dans le fait qu'entre le rotor et le volant assurant l'entraînement magnétique, on peut interposer une cloison de séparation assurant l'étanchéité côté moteur, sans presse-étoupe ou joint rotatif. 15 Une première famille d'aimants portés par le rotor coopèrent avec une autre famille d'aimants portés par le volant d'entraînement, le couplage magnétique entre les deux familles d'aimants permettant d'assurer sans contact l'entraînement en rotation du rotor par le volant, ce dernier étant lui- 20 même attaqué par le moteur qui commande la pompe. Le rotor étant noyé dans le liquide à pomper et le volant lui étant extérieur, la cloison de séparation placée entre les deux, assure l'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur de la pompe. État de la technique Dans les pompes à entraînement magnétique de l'art antérieur, se posent un certain nombre de problèmes liés au rotor, et concernant notamment : - Sa sustentation et son guidage en rotation. - Son maintien en position dans le sens axial. 25 30 - L'étanchéité entre la zone d'aspiration et la zone de refoulement qui travaillent à des pressions différentes. Selon l'état de l'art illustré par exemple par le document EP 1210520, le rotor tourillonne sur une pièce fixe désignée ci-après axe , rotor et axe étant munis de bagues de frottement réalisées en matériaux adéquats, par exemple en céramique, la lubrification étant assurée par le liquide pompé dans lequel baigne l'ensemble. Le couple de bagues précité est désigné ci-après palier . Axialement, le rotor est placé entre la cloison et une paroi désignée ci-après paroi avant , la cloison constituant de fait la paroi arrière. Comme la cloison assure la séparation entre le milieu liquide et l'extérieur, avec une étanchéité de type fixe, la paroi avant assure la séparation entre les zones d'aspiration et de refoulement du milieu liquide, avec une étanchéité de type tournant. Le maintien du rotor dans le sens axial est généralement assuré par des butées planes appartenant au rotor d'une part, à la cloison et à la paroi avant d'autre part. Ces butées sont nécessitées par le fait que le rotor est soumis à des poussées axiales de nature hydrostatique et hydrodynamique, dont la résultante peut s'inverser. L'étanchéité entre aspiration et refoulement vers l'arrière est assurée 25 systématiquement et correctement par le palier. Il n'en est pas de même vers l'avant. En effet, si le dispositif de butée avant est bien étanche quand le rotor est sollicité de son côté, il ne l'est plus quand la sollicitation s'inverse. Il y a alors décollement de la butée, d'où fuite et perte de rendement. 30 Selon les modes de réalisation qui ont pu être proposés, l'axe peut être supporté uniquement par la cloison, ou encore par la cloison et la paroi avant. Dans les pompes connues, l'homme de l'art est confronté aux inévitables problèmes de désalignement entre le rotor et la paroi avant, découlant d'un important empilage de tolérances entre ces deux pièces. Ce problème est aggravé pour les pompes véhiculant des liquides corrosifs, et devant être réalisées dans des matériaux plastiques dont la stabilité dimensionnelle est moins bonne que celle des métaux. Objet de l'invention L'objet de l'invention est de remédier à ces problèmes en améliorant l'étanchéité de la pompe à entraînement magnétique du côté du dispositif de butée avant, ladite étanchéité restant efficace même en cas de décollement de la butée. 15 Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'un dispositif d'étanchéité coulissante est inséré entre la paroi avant et le rotor avec interposition de moyens élastiques de compensation des défauts d'alignement entre la paroi avant et le rotor. 20 L'étanchéité coulissante est constituée de deux éléments mâle et femelle en forme de douilles montées respectivement sur le rotor et la paroi avant (ou l'inverse). Le jeu entre ces deux pièces doit être aussi faible que possible, juste suffisant pour accepter un tourillonnement libre. Un tel jeu est 25 incompatible avec les désalignements du rotor par rapport à la paroi avant qui ne permettent pas de respecter une bonne co-axialité entre les douilles mâle et femelle. La présence des éléments élastiques permet d'introduire une souplesse 30 dans le montage des douilles, celles-ci pouvant alors adapter leur position relative aux imprécisions de co-axialité.10 Une retombée intéressante de l'invention consiste à considérer que le dispositif d'étanchéité coulissante peut faire fonction de palier auxiliaire, solution intéressante quand l'axe est monté en porte-à-faux sur la cloison. Le palier auxiliaire permet alors de supprimer le porte-à-faux du rotor sur le s palier principal, ce qui permet de réduire sensiblement la longueur de celui-ci, et donc le coût des bagues qui le constituent. Il faut alors veiller à ce que la bague fixe solidaire de l'axe présente la possibilité d'un léger débattement angulaire, afin que palier principal et palier auxiliaire ne se contrarient pas mutuellement. 10 Selon un mode de réalisation préférentiel, l'élément femelle du dispositif d'étanchéité est formé par une première butée fixe annulaire solidaire de la paroi avant, et coopérant avec une deuxième butée solidaire du rotor. L'élément mâle du dispositif d'étanchéité est doté d'une pièce tubulaire 15 montée coaxialement à faible jeu à l'intérieur de la première butée fixe, laquelle constitue le palier auxiliaire. La pièce tubulaire est avantageusement fixée à la deuxième butée annulaire, laquelle est apte à venir en contact ou à s'écarter de la première butée tout en maintenant l'étanchéité au moyen de la pièce coulissante de l'élément mâle. 20 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de réalisation de l'invention 25 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - La figure 1 est une vue d'ensemble d'une pompe suivant l'art antérieur, et dépourvue d'étanchéité coulissante. 30 - La figure 2 est un détail de la zone de contact entre le rotor et la paroi avant, montrant la combinaison d'une butée avant et d'une étanchéité coulissante, réalisées avec des pièces suspendues élastiquement, conformément à l'invention. - La figure 3 est une vue d'ensemble d'une pompe dans laquelle l'étanchéité coulissante intervient comme palier auxiliaire. Toutes ces figures sont des coupes longitudinales passant par l'axe de rotation de la pompe. Description détaillée de l'invention 10 La pompe de l'art antérieur selon la figure 1 est composée : d'un rotor 1 comprenant une roue à aubes 2 et la première couronne d'aimants permanents 3. Ce rotor est entièrement noyé dans le liquide pompé, 15 - d'un volant d'entraînement 4 portant la deuxième couronne d'aimants permanents 5 qui interagit avec la couronne 3 pour créer le couplage magnétique. Ce volant 4 est lié au moteur d'entraînement (non représenté), - d'une cloison 6 assurant la séparation entre le milieu liquide à la pression de refoulement 7 et l'extérieur, 20 - et d'une paroi avant 8 assurant la séparation entre les milieux liquides 7 et 9 respectivement placés à la pression d'aspiration et à la pression de refoulement. Le guidage du rotor 1 de la figure 1 est assuré par : 25 - un axe 10 rigidement solidaire de la cloison 6, avec laquelle il peut être moulé ou assemblé par tout moyen approprié, - et des bagues 11 et 12 liées respectivement à l'axe 10 et au rotor 1, et présentant les qualités frottantes leur permettant de tourillonner l'une sur l'autre. Le rotor 1 se trouve donc en porte-à-faux sur ce palier unique, ce qui 30 impose de donner audit palier un développement assez important en longueur.5 Le maintien en translation du rotor 1 est assuré : - vers l'avant (c'est à dire vers la droite de la figure 1) par des première et deuxième butées 13, 14 appartenant respectivement à la paroi avant 8 et au rotor 1, - vers l'arrière, par une troisième butée 15 liée au rotor 1 et coopérant avec la bague fixe 11, par la partie latérale de celle-ci. La présence de ces trois butées 13, 14, 15 est indispensable, car la résultante des forces hydrostatiques et hydrodynamiques agissant sur le ~o rotor 1 peut être importante et éventuellement s'inverser. Sur la figure 1, le rotor 1 est représenté en butée avant, un léger jeu apparaissant sur la troisième butée 15 arrière. Dans cette situation, l'étanchéité vers l'avant est assurée par les deux butées 13, 14 avant. 15 Si la poussée axiale sur le rotor 1 s'inverse, on passe en butée arrière de la troisième butée 15, le jeu apparaissant cette fois sur la butée avant, qui n'assure donc plus l'étanchéité. Il s'ensuit une fuite préjudiciable au rendement de la pompe. 20 Dans tous les cas, l'étanchéité vers l'arrière est assurée par les bagues 11,12 du palier principal qui garantissent une fuite négligeable. L'objet du présent brevet est de compléter la butée avant par un dispositif coulissant lui permettant de conserver une bonne étanchéité quand 25 le rotor 1 est sollicité vers l'arrière. La figure 1 représente une réalisation dans laquelle l'axe 10 est monté en porte à faux sur la cloison 6. Dans l'autre variante citée précédemment, l'axe 10 peut également traverser la roue à aubes 2 pour venir prendre appui sur 30 une portée solidaire de la paroi avant 8. Le présent brevet s'applique aux deux variantes. Selon l'invention illustrée à la figure 2, la butée avant a été modifiée en insérant un dispositif d'étanchéité DF' coulissante. Les mêmes numéros de repères seront utilisés pour désigner des pièces similaires. Le dispositif d'étanchéité DP coulissante est composé de la première butée fixe 13 et de la deuxième butée tournante 14, laquelle est complétée par une pièce tubulaire 16 s'étendant coaxialement par rapport à l'axe longitudinal. L'avant de la pièce tubulaire 16 tourillonne avec un faible jeu dans la partie cylindrique intérieure de la première butée 13 fixe. Ainsi, s'il y a déplacement ~o du rotor 1 vers l'arrière, un léger coulissement entre la pièce tubulaire 16 et la première butée 13 permet de maintenir l'étanchéité malgré le décollement de la butée. Etant donné les inévitables défauts d'alignement pouvant exister entre la 15 paroi avant 8 et le rotor 1, les butées 13 et 14 sont montées avec interposition de supports 17, 18 respectifs, réalisés par exemple dans un matériau élastomère présentant la souplesse nécessaire pour absorber lesdits défauts. Les supports 17, 18 permettent également de réaliser l'assemblage des butées 13, 14 avec un effet de retenue, évitant ainsi la 20 chute accidentelle de ces pièces lors des manipulations ou démontages. En cas d'incompatibilité des élastomères avec le liquide pompé, l'élasticité recherchée peut être obtenue par tout autre moyen adéquat. La butée 14 et la pièce 16 sont représentées distinctes et enfilées l'une sur 25 l'autre. Pour éviter tout déplacement intempestif de la pièce 16 vers l'avant, on peut la rendre solidaire de la butée 14 par tout moyen approprié, y compris en réalisant ces pièces en une seule. On peut ajouter à propos de cette figure 2 les remarques suivantes, 30 concernant des variantes ou adaptations possibles sans qu'on sorte du cadre de l'invention : 30 - Le dispositif pourrait sans inconvénient être inversé, la butée mâle 16 devenant solidaire de la paroi avant 8, et la butée femelle 13 solidaire du rotor 1. - L'étanchéité coulissante pourrait également s'appliquer à des pompes à entraînement mécanique (rotor directement solidaire de l'arbre du moteur d'entraînement). Pour ce type de pompes, on doit supprimer la fonction butée qui n'a plus lieu d'être, mais l'étanchéité conserve son intérêt au niveau du rendement. La figure 3 est une vue d'ensemble d'une pompe munie d'un dispositif d'étanchéité coulissante selon la figure 2. On y retrouve les pièces 13,14,16,17,18 décrites ci-dessus, l'ensemble du dispositif pouvant être inversé pour tout motif le justifiant, par exemple pour recentrer légèrement la zone de tourillonnement entre les pièces 13 et 16. Le palier principal a été considérablement raccourci par rapport à celui de la figure 1, n'ayant plus à assurer à lui seul le guidage du rotor, fonction désormais partagée avec le dispositif avant. On y retrouve les bagues 11,12, ainsi qu'une butée arrière 25 coopérant avec la bague 12 par leurs faces latérales. La bague 11 et la butée arrière 25 sont fixes, liées à la cloison 6 sur laquelle elles se montent avec interposition d'une pièce élastique 26. Cette dernière permet un léger débattement angulaire de l'axe 10 du rotor permettant de compenser l'inévitable imprécision dans le positionnement du palier avant, en évitant toute sollicitation de basculement sur le palier principal. On peut envisager dans certains cas de supprimer la pièce élastique 26, notamment si les défauts de coaxialité sont assez faibles pour que la souplesse naturelle de la cloison 6 soit en mesure de les accepter. L'étanchéité assurée par le faible jeu entre les bagues 11 et 12, reste très bonne, et d'un ordre de grandeur identique à celle du palier avant. On peut également noter sur la figure 3 que l'axe 10 continue à pénétrer profondément dans le rotor 1 avec un faible jeu, jusqu'à la zone de la roue à aubes 2. Cette configuration permet : - de faciliter les opérations de montage et démontage du rotor 1, - de faire en sorte que la zone d'extrémité de l'axe 10 encaisse une bonne partie de la poussée hydrodynamique du liquide, ce qui soulage d'autant le rotor 1, - en allongeant encore l'axe 10, on peut l'amener jusqu'à une portée solidaire de la paroi avant. On tombe alors sur la variante dans laquelle l'axe est o soutenu à ses deux extrémités. Revendications 1. Pompe à entraînement magnétique composée : - d'un rotor (1) accouplé à une roue à aubes (2) et équipé d'une première couronne d'aimants permanents (3), - d'un volant d'entraînement (4) portant une deuxième couronne d'aimants permanents (5) en créant un couplage magnétique avec la première couronne (3), - d'une cloison (6) intercalée dans l'entrefer entre le rotor (1) et le volant d'entraînement (4), - et d'une paroi avant (8) agencée pour assurer la séparation entre les zones d'aspiration et de refoulement du milieu liquide, caractérisée en ce qu'un dispositif d'étanchéité (DP) coulissante est inséré 15 entre la paroi avant (8) et le rotor (1) avec interposition de moyens élastiques de compensation des défauts d'alignement entre la paroi avant (8) et le rotor (1)- 2. Pompe à entraînement magnétique selon la revendication 1, 20 caractérisée en ce que le dispositif d'étanchéité (DP) est disposé du côté de la roue à aubes (2), et comporte un élément mâle coopérant à coulissement avec un élément femelle montés respectivement sur le rotor (1) et la paroi avant (8), ou vice-versa. 25 3. Pompe à entraînement magnétique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens élastiques comportent des supports (17,18) en matière déformable assujettis à l'élément mâle et à l'élément femelle du dispositif d'étanchéité (DP). 30 4. Pompe à entraînement magnétique selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que l'élément femelle du dispositif d'étanchéité (DP) est formé par une première butée (13) fixe annulaire solidaire de la paroi avant 10 (8), et servant de butée axiale à une deuxième butée (14) solidaire du rotor (1). 5. Pompe à entraînement magnétique selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément mâle du dispositif d'étanchéité (DP) est doté d'une pièce (16) tubulaire montée coaxialement à faible jeu à l'intérieur de la première butée (13) fixe, laquelle est conformée en palier auxiliaire. 6. Pompe à entraînement magnétique selon la revendication 5, caractérisée en ce que la pièce (16) tubulaire est fixée à la deuxième butée (14) annulaire du rotor (1), ladite deuxième butée (14) étant apte à venir en contact ou à s'écarter de la première butée (13) tout en maintenant l'étanchéité au moyen de la pièce (16) coulissante de l'élément mâle. 7. Pompe à entraînement magnétique selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce qu'à l'opposé de la première butée (13) du dispositif d'étanchéité (DP) coulissante se trouve un palier principal comprenant une butée arrière (25) fixe coopérant avec une bague (12) du rotor (1), laquelle tourillonne coaxialement sur une bague (11) fixe solidaire de la cloison (6) de séparation. 8. Pompe à entraînement magnétique selon la revendication 7, caractérisée en ce que la butée arrière (25) et la bague (11) fixe sont solidarisées à la cloison (6) avec interposition d'une pièce élastique (26) leur donnant une élasticité dans leur positionnement angulaire.