Dispositif d'étanchéité rotatif La présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité pour un arbre tournant au travers d'une ouverture pratiquée dans une paroi de sépa ration de deux milieux fluides, comprenant au moins un premier anneau fixé de manière étanche sur la paroi, un second anneau entourant l'arbre, et des moyens appliquant ce second anneau contre le premier,
le tout étant agencé de manière à empê cher tout écoulement de fluide d'un milieu dans l'autre tout en permettant la formation entre ces anneaux d'un filin de fluide de plus grande pression. Ce film est destiné à éviter, lors de la rotation de l'arbre, le grippage des surfaces en contact des deux anneaux et à assurer un refroidissement suffisant de ces surfaces.
De tels dispositifs sont couramment utilisés dans la construction de pompes, de compresseurs ou de turbines hydrauliques et à gaz par exemple.
Dans certains de ces dispositifs les moyens de compression des anneaux d'étanchéité comprennent par exemple un ressort agissant sur l'un de ces anneaux, dimensionné sur la base d'une pression de service fixe de manière à .développer un effort cous- tant de valeur correspondant à celle de l'effort exercé par la
pression du filin du fluide sur ce même anneau. La pression du film est directement propor tionnelle à la pression du fluide le plus comprimé et peut en conséquence varier en fonction de la variation de cette dernière.
Lorsque cette variation est relativement impor- tante, la résultante des efforts opposés produits par le ressort et le film est suffisante pour provoquer le déplacement de l'anneau sur lequel agit le ressort. Si cette variation de pression est positive, les deux anneaux s'éloignent l'un de l'autre et le fluide s'échappe au travers de cet espace.
Si au contraire la variation de pression est négative, le ressort pousse les deux anneaux l'un contre l'autre de manière trop accentuée, produisant la rupture du film de fluide et le grippage de ces anneaux.
La présente invention a précisément pour objet un joint rotatif obviant aux inconvénients cités. Ce joint se caractérise par le fait que lesdits moyens comprennent au moins un- organe de compensation sensible aux variations du fluide de pression la plus élevée développant sur le second anneau un effort proportionnel à cette pression et- agissant à l'encon tre de l'action du film sur cet anneau, de manière à maintenir constante l'épaisseur de ce film.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'objet de la présente invention ; la fig. 1 est une coupe longitudinale de la pre mière forme d'exécution; la fig. 2 une vue semblable de la seconde forme d'exécution.
Le dispositif représenté à la fig. 1 sert à rendre étanche le passage d'un arbre rotatif 1 de l'intérieur 2 d'une pompe ou d'une turbine hydraulique par exemple (seules- une partie de ce bâti 3 et une bride 4 sont représentées) vers l'extérieur 5 de ce bâti.
Ce joint :est constitué par un premier anneau fixe 6 solidaire de la bride 4, un second anneau 7 chassé à l'intérieur d'une douille 8, un élément annulaire toroïdal 9 et enfin un manchon cylindri- que 10 solidaire de l'arbre 1.
L'anneau 6, qui est métallique, est monté dans la bride 4 de manière étanche nu moyen d'une garni ture; de joint 60 disposée dans une rainure annu- laire 61. L'alésage de cet anneau est de diamètre supérieur- à celui de l'arbre de manière à permettre à ce dernier de tourner librement en son intérieur.
L'anneau 7, qui est- en contact avec l'anneau 6 par l'intermédiaüre d'une couronne 70, est monté dans la douille 8 de manière étanche grâce à un anneau 80 disposé dans une rainure annulaire 81 de la douille. L'anneau 7 peut être réalisé en métal ou en graphite.
L'alésage de l'ensemble anneau 7-douille 8 est également de diamètre supérieur à- celui de l'arbre 1. Cet ensemble est maintenu centré par rapport à l'arbre par d'intermédiaire <B> & </B> l'élément annulaire 9 reposant sur une face tronconique 82 de cette douille ainsi que sur une face tronconique 11 que présente l'extrémité du manchon 10. Cet élément annu laire 9 est en matière élastique, par exemple en caoutchouc ou en matière plastique, de manière à pouvoir se déformer facilement sous l'action de la pression agissant sur sa partie externe.
Dans une variante non représentée, cet élément pourrait par exemple être constitué par un anneau toroïdal métallique creux.
Le manchon cylindrique 10, qui est rendu soli daire de l'arbre 1 par des moyens non représentés, est monté de façon étanche sur cet arbre au moyen d'un anneau 12 de manière que le fluide contenu dans le milieu 2 ne puisse remplir le logement 13 pratiqué à l'intérieur de ce manchon. Dans ce logement est disposé un ressort hélicoï dal 14 tendu autour de l'arbre 1 entre le manchon et lai douille 8.
Ce ressort est dimensionné de, manière à dévelop per sur la douille 8, un effort :axial de valeur iden tique; mais de sens contraire à celui exercé sur l'anneau 7 par le film de liquide qui s'établit entre la couronne 70 et l'anneau 6, notamment lorsque l'arbre 1 est en mouvement.
Ce film permet un déplacement relatif des anneaux 6 et 7 sans que les surfaces en contact ne grippent <B>-</B>et il contribue en outre à l'évacuation de la chaleur -produite<B>;</B> la pression du liquide formant le film est proportionnelle à la pression régnant dans l'espace 2 mais sa distribution n'est pas constante sur toute la surface de la couronne 70.
Le ressort 14 ne peut bien entendu assurer un fonctionnement correct des joints que pour une valeur déterminée de- la pression. Il est indispensable lorsque cette pression est de valeur relativement basse, par exemple égale à la pression du fluide du milieu 5.
A toute variation de pression dans l'espace 2, par rapport à la pression de référence du ressort, cor respond une déformation de l'élément 9 tendant à comprimer cet élément vers son intérieur, lorsque cette variation est positive, ou à le tirer vers l'exté rieur lorsqu'elle est négative.
De même la pression du filin tend à déplacer l'anneau 7 vers le man chon 10, lorsque la variation de la pression est posi tive ou au contraire -à permettre que cet anneau se dirige vers l'anneau 6 lorsque cette variation est négative.
Lés surfaces coniques 82 et 11 de la douille et du manchon, contre lesquelles l'élément 9 appuie, sont inclinées précisément de manière que la compo- santé axiale de l'effort produit par la déformation de l'élément élastique 9 soit de valeur égale et de sens contraire à la résultante de l'effort produit par la pression du liquide du film agissant sur la cou ronne 70 et de l'effort développé par le ressort 14.
L'effort dû à la déformation de l'élément 9 et celui du film étant tous deux directement proportionnels à la pression du liquide contenu dans l'espace 2, la distance comprise entre la couronne 70 et l'anneau 6 et correspondant à l'épaisseur du film compris entre ces éléments demeure donc constante lorsque cette pression varie. Bien entendu, cette caractéristique ne s'étend, pour chaque élément 9, que dans un domaine de pression bien déterminé, fonction. des propriétés élastiques de cet élément.
Lorsque la pression du liquide contenu dans le milieu 2 ne peut tomber en dessous d'une valeur déterminée supérieure à la pression ambiante du milieu 5, il est possible dans une seconde forme d'exécution représentée en fig. 2, de supprimer le ressort 14 et de remplacer le manchon 10 par un anneau 10' fixé de façon étanche sur l'arbre 1.
Dans l'une comme dans l'autre forme d'exécu tion, l'entraînement rotatif de l'anneau 7 par le manchon 10, respectivement de l'anneau 7' par l'anneau 10', se fait par l'intermédiaire de l'élé ment 9, respectivement 9'. Cette solution qui est satisfaisante pour des dispositifs d'étanchéité rota tifs de faibles dimensions ou pour des vitesses de rotation de l'arbre relativement basses ne l'est plus lorsque ces dispositifs atteignent des dimensions relativement grandes ou que les régimes de rota tion de l'arbre sont élevés.
On peut, dans une variante non représentée entraîner en rotation la douille 8, respectivement 8', et partant l'anneau 7, respectivement 7', par exemple à l'aide de tiges solidaires du manchon ou de l'anneau 10' s'éten dant parallèlement à l'arbre en direction de la douille 8, respectivement 8', dans des logements de laquelle elles sont engagées par leur extrémité.
Dans une autre variante, également non reprè- sentée, 'le dispositif d'étanchéité rotatif pourrait présenter les mêmes éléments que ceux des formes d'exécution décrites, mais les conicités de la douille 8 et du manchon 10, respectivement de l'anneau 10', seraient de sens inverse, le fluide sous pression agissant sur l'élément élastique 9, de l'intérieur du dispositif vers l'espace l'entourant.
Cette variante est particulièrement indiquée lorsque l'un des milieux fluides est constitué par un liquide sous vide, comme ce serait par exem ple le cas avec de l'eau de condensation récupérée par succion sous une machine à fabriquer le papier.
Dans une troisième variante, le dispositif pour rait être à double effet et utilisable par exemple lorsque les deux milieux à séparer sont soumis à des pressions alternant avec des dépressions. Dans ce cas, la face de la douille 8 et celle du man chon 10, repectivement de l'anneau 10', en con tact avec l'élément 9 présenteraient une rainure annulaire de section droite triangulaire dans le fond de laquelle cet élément vient se placer.
Enfin, dans une quatrième variante, également non représentée, la douille 8 pourrait être suppri mée et l'anneau de graphite 7 présenter une face conique opposée à celle en contact avec l'anneau fixe 6.
Rotary sealing device The present invention relates to a sealing device for a shaft rotating through an opening made in a wall separating two fluid media, comprising at least a first ring fixed in a sealed manner on the wall, a second ring surrounding the shaft, and means applying this second ring against the first,
the whole being arranged so as to prevent any flow of fluid from one medium into the other while allowing the formation between these rings of a line of fluid of greater pressure. This film is intended to prevent, during rotation of the shaft, the seizing of the surfaces in contact with the two rings and to ensure sufficient cooling of these surfaces.
Such devices are commonly used in the construction of pumps, compressors or hydraulic and gas turbines, for example.
In some of these devices, the means for compressing the sealing rings comprise, for example, a spring acting on one of these rings, dimensioned on the basis of a fixed working pressure so as to develop a considerable force of value corresponding to that of the force exerted by the
pressure of the fluid line on this same ring. The pressure of the film is directly proportional to the pressure of the most compressed fluid and can consequently vary according to the variation of the latter.
When this variation is relatively large, the resultant of the opposing forces produced by the spring and the film is sufficient to cause the displacement of the ring on which the spring acts. If this pressure variation is positive, the two rings move away from each other and the fluid escapes through this space.
If, on the contrary, the pressure variation is negative, the spring pushes the two rings against each other too strongly, causing the film of fluid to break and these rings to seize.
The present invention specifically relates to a rotary joint obviating the aforementioned drawbacks. This seal is characterized by the fact that said means comprise at least one compensation member sensitive to variations in the fluid of the highest pressure developing on the second ring a force proportional to this pressure and acting against the pressure. action of the film on this ring, so as to keep the thickness of this film constant.
The accompanying drawing shows, by way of example, two embodiments of the object of the present invention; fig. 1 is a longitudinal section of the first embodiment; fig. 2 a similar view of the second embodiment.
The device shown in FIG. 1 serves to seal the passage of a rotary shaft 1 from the inside 2 of a pump or a hydraulic turbine for example (only a part of this frame 3 and a flange 4 are shown) to the outside 5 of this frame.
This seal: consists of a first fixed ring 6 integral with the flange 4, a second ring 7 driven inside a sleeve 8, a toroidal annular element 9 and finally a cylindrical sleeve 10 integral with the shaft 1.
The ring 6, which is metallic, is mounted in the flange 4 in a leaktight manner by means of a gasket; of seal 60 disposed in an annular groove 61. The bore of this ring has a diameter greater than that of the shaft so as to allow the latter to rotate freely inside it.
The ring 7, which is in contact with the ring 6 through the intermediary of a ring 70, is mounted in the sleeve 8 in a sealed manner by virtue of a ring 80 disposed in an annular groove 81 of the sleeve. The ring 7 can be made of metal or of graphite.
The bore of the ring 7-bush 8 assembly is also of greater diameter than that of the shaft 1. This assembly is kept centered relative to the shaft by means of <B> & </B> l 'annular element 9 resting on a frustoconical face 82 of this sleeve as well as on a frustoconical face 11 presented by the end of the sleeve 10. This annular element 9 is made of elastic material, for example rubber or plastic, so to be able to deform easily under the action of the pressure acting on its external part.
In a variant not shown, this element could for example consist of a hollow metal toroidal ring.
The cylindrical sleeve 10, which is made integral with the shaft 1 by means not shown, is mounted in a sealed manner on this shaft by means of a ring 12 so that the fluid contained in the medium 2 cannot fill the chamber. housing 13 formed inside this sleeve. In this housing is arranged a helical spring 14 stretched around the shaft 1 between the sleeve and the sleeve 8.
This spring is dimensioned so as to develop on the sleeve 8 a force: axial of identical value; but in the opposite direction to that exerted on the ring 7 by the film of liquid which is established between the ring 70 and the ring 6, in particular when the shaft 1 is in motion.
This film allows a relative displacement of the rings 6 and 7 without the surfaces in contact seizing <B> - </B> and it also contributes to the evacuation of the heat produced <B>; </B> the pressure of the liquid forming the film is proportional to the pressure prevailing in space 2, but its distribution is not constant over the entire surface of the crown 70.
The spring 14 can of course ensure correct operation of the seals only for a determined value of the pressure. It is essential when this pressure is of relatively low value, for example equal to the pressure of the fluid of the medium 5.
To any variation in pressure in space 2, compared to the reference pressure of the spring, corresponds a deformation of the element 9 tending to compress this element towards its interior, when this variation is positive, or to pull it towards it. outside when it is negative.
Likewise, the pressure of the rope tends to move the ring 7 towards the sleeve 10, when the pressure variation is positive or, on the contrary, to allow this ring to move towards the ring 6 when this variation is negative.
The conical surfaces 82 and 11 of the socket and the sleeve, against which the element 9 bears, are inclined precisely so that the axial component of the force produced by the deformation of the elastic element 9 is of equal value. and in the opposite direction to the resultant of the force produced by the pressure of the liquid of the film acting on the crown 70 and of the force developed by the spring 14.
The force due to the deformation of the element 9 and that of the film both being directly proportional to the pressure of the liquid contained in the space 2, the distance between the crown 70 and the ring 6 and corresponding to the thickness of the film between these elements therefore remains constant when this pressure varies. Of course, this characteristic extends, for each element 9, only in a well-determined pressure range, function. elastic properties of this element.
When the pressure of the liquid contained in the medium 2 cannot fall below a determined value greater than the ambient pressure of the medium 5, it is possible in a second embodiment shown in FIG. 2, remove the spring 14 and replace the sleeve 10 with a ring 10 ′ fixed in a sealed manner on the shaft 1.
In either embodiment, the rotary drive of the ring 7 by the sleeve 10, respectively of the ring 7 'by the ring 10', is effected by means of element 9, respectively 9 '. This solution, which is satisfactory for rotary sealing devices of small dimensions or for relatively low rotational speeds of the shaft, is no longer so when these devices reach relatively large dimensions or when the rotational speeds of the shaft. tree are high.
It is possible, in a variant not shown, to drive the sleeve 8, respectively 8 ', and hence the ring 7, respectively 7', in rotation, for example by means of rods integral with the sleeve or the ring 10 's'. extending parallel to the shaft in the direction of the sleeve 8, respectively 8 ', in the housings of which they are engaged by their end.
In another variant, also not shown, the rotary sealing device could have the same elements as those of the embodiments described, but the taper of the sleeve 8 and of the sleeve 10, respectively of the ring 10. ', would be in the opposite direction, the pressurized fluid acting on the elastic element 9, from the interior of the device to the space surrounding it.
This variant is particularly indicated when one of the fluid media consists of a liquid under vacuum, as would be the case, for example, with condensation water recovered by suction under a papermaking machine.
In a third variant, the device could be double-acting and can be used for example when the two media to be separated are subjected to pressures alternating with depressions. In this case, the face of the sleeve 8 and that of the sleeve 10, respectively of the ring 10 ', in contact with the element 9 would present an annular groove of triangular cross section in the bottom of which this element comes to rest. to place.
Finally, in a fourth variant, also not shown, the sleeve 8 could be omitted and the graphite ring 7 have a conical face opposite to that in contact with the fixed ring 6.