FR3071019A1 - Ensemble palier et joint d’etancheite combine avec un corps externe commun - Google Patents

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Abstract

Un ensemble palier et joint d'étanchéité combiné (10) comprend un corps externe (12) tubulaire pouvant être relié à un élément externe (2) et ayant des première et seconde extrémités axiales (12a, 12b), des surfaces interne et externe opposées (20, 22) et un chemin de roulement externe de palier (26) sur la surface interne (20) du corps externe (12). Un corps interne (14) tubulaire est disposé à l'intérieur d'un alésage (24) du corps externe (12) et peut être disposé autour d'un élément rotatif (1) et être couplé à celui-ci. Le corps interne (14) a des surfaces interne et externe (30, 32), des extrémités axiales externe et interne opposées (14a, 14b), l'extrémité axiale interne (14b) fournissant une surface de contact d'étanchéité (34) généralement radiale, et un chemin de roulement interne de palier (36) sur la surface externe (32) du corps interne (14). Des éléments de roulement (16) disposés entre les chemins de roulement externe et interne (12, 14) couplent en rotation les corps externe et interne (12, 14) et forment un palier (15). Un joint (18) annulaire est à l'intérieur de l'alésage (24) du corps externe (12), est couplé au corps externe (12) tubulaire et a une surface d'étanchéité généralement radiale (42) pouvant venir en prise de manière étanche avec la surface de contact (34) du corps interne (14).

Description

TITRE DE L’INVENTION
Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné avec un corps externe commun
ARRIÈRE PLAN DE L’INVENTION
La présente invention concerne des paliers et des joints d’étanchéité, et plus particulièrement des paliers et des joints d’étanchéité utilisés dans des applications à haute vitesse et/ou à haute température.
Les paliers et les joints d’étanchéité sont chacun généralement connus dans de nombreux types et configurations différents, tels que des paliers lisses, des paliers à éléments roulants, des joints d’étanchéité à lèvres élastomères, des joints d’étanchéité annulaires en carbone, etc. Lorsqu’ils sont utilisés dans des applications à vitesse relativement élevée et/ou à température relativement élevée, les paliers sont typiquement des paliers à éléments roulants et les joints d’étanchéité sont souvent des joints d’étanchéité annulaires en carbone à face radiale afin de fonctionner efficacement dans de telles conditions ambiantes. Typiquement, un ensemble joint d’étanchéité annulaire séparé est situé de manière adjacente à un ensemble palier pour empêcher ou au moins réduire l’écoulement de certains fluides (par exemple, des vapeurs, des produits de combustion, etc.) dans le palier.
RÉSUMÉ DE L’INVENTION
Selon un aspect, la présente invention concerne un ensemble palier et joint d’étanchéité combiné pour coupler un élément interne rotatif à un élément externe, l’élément interne pouvant tourner autour d’un axe central. L’ensemble palier et joint d’étanchéité comprend un corps externe généralement tubulaire pouvant être relié à l’élément externe et pouvant être disposé autour de l’élément interne rotatif. Le corps externe a un axe central, des première et seconde extrémités axiales, des surfaces circonférentielles interne et externe opposées, la surface interne du corps externe définit un alésage, et un chemin de roulement externe de palier sur la surface interne du corps externe. Un corps interne généralement tubulaire est disposé à l’intérieur de l’alésage du corps externe de façon à être généralement coaxial avec le corps externe, le corps interne pouvant être disposé autour de l’élément rotatif et pouvant être couplé à celui-ci. Le corps interne a des surfaces circonférentielles interne et externe et des extrémités axiales externe et interne opposées, l’extrémité axiale interne fournissant une surface de contact d’étanchéité généralement radiale. Le corps interne a en outre un chemin de roulement interne de palier sur la surface externe du corps interne, le chemin de roulement interne étant généralement aligné axialement avec le chemin de roulement externe. Une pluralité d’éléments de roulement sont disposés entre les chemins de roulement externe et interne de façon à coupler en rotation les corps externe et interne et former un palier.
Conformément à l’invention, l’ensemble comprend également un joint d’étanchéité généralement annulaire disposé à l’intérieur de l’alésage du corps externe généralement axialement entre la seconde extrémité axiale du corps externe et l’extrémité axiale interne du corps interne. Le joint d’étanchéité est couplé au corps externe tubulaire et peut être disposé autour de l’élément interne rotatif. Le joint d’étanchéité a une surface d’étanchéité généralement radiale configurée pour venir en prise de manière étanche avec la surface de contact radiale du corps interne de façon à empêcher généralement un écoulement de fluide entre la seconde extrémité axiale du corps externe et le palier.
De manière avantageuse, le joint d’étanchéité a une surface d’étanchéité généralement radiale, configurée pour venir en prise de manière étanche avec la surface de contact radiale du corps interne et une surface circonférentielle interne espacée radialement vers l’extérieur à partir de l’élément interne rotatif lorsque le joint d’étanchéité est disposé autour de l’élément rotatif.
Selon un autre aspect de l’invention, le chemin de roulement externe est formé par une section de la surface interne du corps externe ou par une surface circonférentielle interne d’un corps annulaire disposé à l’intérieur du corps externe ; et le chemin de roulement interne est formé par une section de la surface circonférentielle externe du corps interne ou par une surface circonférentielle externe d’un corps annulaire disposé autour du corps interne.
Selon un autre aspect de l’invention, la surface circonférentielle externe du corps interne tubulaire a une section de surface fournissant le chemin de roulement interne, la section de surface de chemin de roulement ayant deux extrémités axiales opposées, et deux sections de surface d’épaulement, chacune espacée radialement vers l’extérieur à partir d’une extrémité séparée de la section de surface de chemin de roulement ; et l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné comprend en outre une cage de palier généralement annulaire disposée de manière coulissante autour des deux sections de surface d’épaulement et comprenant une pluralité d’ouvertures s’étendant radialement, un élément séparé parmi la pluralité d’éléments de roulement étant disposé à l’intérieur de chacune des ouvertures de cage.
De manière avantageuse, le corps tubulaire interne a au moins un passage de lubrification s’étendant généralement radialement entre la surface circonférentielle interne du corps interne et l’une des deux surfaces d’épaulement.
Selon un autre aspect de l’invention, le corps externe tubulaire est configuré pour être relié de manière fixe à l’élément externe de façon à être non rotatif par rapport à l’axe central.
Selon un autre aspect, l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné comprend en outre au moins un élément parmi :
au moins un coupleur configuré pour coupler de façon mobile le joint d’étanchéité avec le corps externe de telle sorte que le joint d’étanchéité est axialement déplaçable à l’intérieur de l’alésage du corps externe et non rotatif par rapport à l’axe central ;
un élément de sollicitation configuré pour solliciter le joint d’étanchéité généralement axialement vers la surface de contact de joint d’étanchéité du corps interne ;
un joint d’étanchéité secondaire comprenant un corps annulaire disposé autour du joint d’étanchéité et configuré pour assurer l’étanchéité généralement entre le joint d’étanchéité et le corps tubulaire externe ; et une cage de palier généralement annulaire disposée généralement entre les éléments tubulaires externe et interne et comprenant une pluralité d’ouvertures s’étendant radialement, un élément séparé parmi la pluralité d’éléments de roulement étant disposé à l’intérieur de chacune des ouvertures de cage.
Selon un autre aspect de l’invention, l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné comprend au moins l’un parmi :
le joint d’étanchéité comprenant un corps généralement annulaire ou une pluralité de segments arqués ; et le joint d’étanchéité étant formé d’un matériau carboné, d’un matériau céramique ou d’un matériau polymère à haute température.
Selon un autre aspect, le joint d’étanchéité est fourni par un joint d’étanchéité de cartouche comprenant en outre un logement de joint d’étanchéité externe ayant une chambre interne contenant au moins partiellement le joint d’étanchéité et une surface circonférentielle externe pouvant venir en prise avec une partie de la surface interne du corps externe pour retenir l’ensemble joint d’étanchéité de cartouche à l’intérieur du corps externe tubulaire.
Selon un autre aspect de l’invention, l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné comprend au moins l’un parmi :
le corps tubulaire interne ayant une pluralité de rainures s’étendant axialement vers l’intérieur à partir de la surface de contact d’étanchéité, et configurées pour générer une force de sollicitation axiale sur le joint d’étanchéité lorsque l’élément rotatif tourne autour de l’axe central de telle sorte que la surface d’étanchéité est espacée axialement de la surface de contact ; et un revêtement résistant à l’usure étant disposé sur la surface de contact d’étanchéité du corps tubulaire interne.
Selon un autre aspect, chacun des corps tubulaires interne et externe comprenant un corps tubulaire unique ou une pluralité de sections de corps tubulaires reliées
BRÈVE DESCRIPTION DES DIFFÉRENTES VUES DES DESSINS
Le résumé ci-dessus, ainsi que la description détaillée des modes de réalisation préférés de la présente invention, sera mieux compris lorsque lu conjointement avec les dessins annexés. Dans le but d’illustrer l’invention, on a représenté sur les dessins qui sont schématiques, des modes de réalisation qui sont actuellement préférés. Il faudra néanmoins comprendre que la présente invention n’est pas limitée aux agencements et instruments précis représentés. Dans les dessins :
La figure 1 est une vue agrandie, en coupe axiale séparée, d’un ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon la présente invention, représenté relié à des éléments interne et externe d’une machine ;
La figure 2 est une vue en perspective de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné ;
La figure 3 est une vue éclatée de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné ;
La figure 4 est une vue en coupe axiale en perspective de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné ;
La figure 5 est une vue en coupe axiale de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné ;
La figure 6 est une vue en coupe axiale élargie et agrandie de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné ;
La figure 7 est une vue plus agrandie d’une partie de la figure 6, montrant des détails d’un joint d’étanchéité ;
La figure 8 est une vue plus agrandie d’une partie de la figure 6, montrant des détails d’un palier ;
La figure 9 est une vue en perspective séparée par la ligne 9-9 de la figure 8 ;
La figure 10 est une vue en perspective d’un corps interne tubulaire de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné ;
La figure 11 est une vue en coupe axiale agrandie séparée en perspective du corps interne tubulaire ;
La figure 12 est une vue en perspective d’un joint d’étanchéité de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné ;
La figure 13 est une vue en coupe axiale du joint d’étanchéité de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné ;
La figure 14 est une autre vue plus agrandie d’une partie de la figure 6, montrant des détails du palier avec une variante de composants pour le roulement de palier ;
La figure 15 est une vue en coupe axiale en perspective d’une variante de construction du joint d’étanchéité de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné, représenté avec un ensemble joint d’étanchéité de cartouche séparé du corps tubulaire externe ; et
La figure 16 est une vue en coupe axiale agrandie séparée de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné avec la variante de construction d’étanchéité de cartouche.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION
Une certaine terminologie est utilisée dans la description suivante pour une commodité seulement et n’est pas limitative. Les mots « interne », « vers l’intérieur » et « externe », « vers l’extérieur » se réfèrent à des directions vers et à l’opposé, respectivement, d’une ligne centrale désignée ou d’un centre géométrique d’un élément décrit, la signification particulière étant facilement apparente à partir du contexte de la description. En outre, tels qu’utilisés ici, les mots « reliés » et « couplés » sont chacun destinés à comprendre des connexions directes entre deux éléments sans aucun autre élément interposé entre ceux-ci et des connexions indirectes entre des éléments dans lesquels un ou plusieurs autres éléments sont interposés entre eux. La terminologie comprenant les mots mentionnés de manière spécifique ci-dessus, des dérivés de ceux-ci, et des mots d’importation similaire.
En se référant maintenant aux dessins en détail, des nombres similaires étant utilisés pour indiquer des éléments similaires, il est montré dans les figures 1 à 16 un ensemble palier et joint d’étanchéité combiné 10 pour coupler un élément interne rotatif 1 (par exemple, un arbre) avec un élément externe 2, tel qu’un logement, un cadre, etc., l’élément interne 1 pouvant tourner autour d’un axe central Ac. L’élément rotatif 1 est de préférence un arbre 3 (ou un manchon/patin sur l’arbre 3), de préférence un arbre de moteur à grande vitesse disposé à l’intérieur d’un cadre ou d’un logement 2 d’une machine 4, telle que par exemple une turbine à gaz, une turbine à vapeur, un compresseur ou des dispositifs similaires. En outre, l’arbre 3 et l’ensemble palier et joint d’étanchéité 10 sont chacun de préférence configurés pour fonctionner dans un environnement à température relativement élevée, par exemple, des conditions ambiantes supérieures à cent degrés Celsius (100 °C). L’ensemble palier et joint 10 comprend essentiellement un corps externe généralement tubulaire 12 pouvant être relié à l’élément externe 2 et pouvant être disposé autour de l’élément interne rotatif 1, un corps interne généralement tubulaire 14 disposé à l’intérieur du corps externe 12 et pouvant être disposé autour de l’élément rotatif 1, une pluralité d’éléments roulants 16 disposés entre les corps interne et externe, 12, 14 et un joint d’étanchéité « à face axiale » 18 disposé à l’intérieur du corps externe 12 et pouvant être disposé autour de l’élément rotatif 1.
Plus spécifiquement, le corps externe tubulaire 12 a un axe central 13, des première et seconde extrémités axiales 12a, 12b, respectivement, et des surfaces circonférentielles interne et externe opposées 20, 22, respectivement, la surface interne 20 définissant un alésage 24. Le corps externe 12 a en outre un chemin de roulement externe de palier 26 sur la surface interne 20 du corps externe, qui est de préférence fournie par une section de la surface interne du corps externe 20. En variante, le chemin de roulement externe 26 peut être fourni par une surface circonférentielle interne 38a d’un corps annulaire 38 disposé à l’intérieur de l’alésage 24, tel que représenté sur la figure 14. En outre, le corps externe tubulaire 12 est configuré pour être relié de manière fixe à l’élément externe 2 de façon à être non rotatif par rapport à l’axe central d’arbre
Ac. L’axe du corps externe 13 est au moins sensiblement colinéaire avec l’axe d’arbre Ac lorsque le corps externe 12 est disposé autour de l’élément/arbre interne 3.
Le corps interne tubulaire 14 est disposé à l’intérieur de l’alésage du corps externe 24 de manière à être généralement coaxial avec le corps externe 12 (c’est-à-dire centré autour de l’axe
13) et peut être couplé à l’élément interne rotatif 1 de manière à pouvoir tourner autour de l’axe central Ac (c’est-à-dire pendant la rotation de l’arbre 3). Le corps interne 14 a des surfaces circonférentielles interne et externe, 30, 32, respectivement, et des extrémités axiales externe et interne opposées 14a, 14b, respectivement. L’extrémité axiale externe 14a est généralement axialement adjacente à la première extrémité axiale du corps externe 12a, et l’extrémité radiale interne 14b fournit une surface de contact d’étanchéité généralement radiale 34. La surface interne 30 du corps interne tubulaire 14 est de préférence dimensionnée pour venir en prise par frottement avec la surface circonférentielle externe 3a de l’arbre 3 (ou la surface externe d’un manchon/patin (non représenté)), de manière à, à la fois, coupler en rotation le corps interne tubulaire 14 avec l’élément interne 1 et assurer l’étanchéité de l’interface (non indiquée) entre le corps interne 14 et l’élément/arbre 3. Le corps interne tubulaire 14 a également un chemin de roulement interne de palier 36 sur la surface externe 32 du corps interne, le chemin de roulement interne 36 étant situé de manière à être généralement aligné axialement (c’est-à-dire aligné le long de l’axe 13) avec le chemin de roulement externe 26. De préférence, le chemin de roulement interne 36 est fourni par une section de la surface circonférentielle externe du corps interne 32, mais peut en variante être fourni par une surface circonférentielle externe 39a d’un corps annulaire 39 disposé autour du corps interne 14 (Fig. 14).
En outre, la pluralité d’éléments roulants 16 sont disposés entre les chemins de roulement interne et externe 26, 36 de façon à coupler en rotation les corps externe et interne 12, 14 et former un palier 15. Chaque élément de roulement 16 est de préférence un rouleau cylindrique 17, mais peut en variante être formé sous la forme d’une bille, une aiguille, un rouleau conique, ou tout autre type d’élément roulant (aucune variante représentée). De préférence, l’ensemble palier et joint d’étanchéité 10 comprend en outre une cage de palier 40 configurée pour retenir les éléments roulants 16 comme décrit ci-après, mais peut en variante être formé sans cage ou autre dispositif de retenue.
En outre, le joint d’étanchéité 18 est disposé à l’intérieur de l’alésage du corps externe 24 de façon à être situé généralement axialement entre la seconde extrémité axiale du corps externe 12b et l’extrémité axiale interne du corps interne 14b. Le joint d’étanchéité 18 a des extrémités axiales interne et externe opposées 18a, 18b et est couplé au corps externe tubulaire 12 de façon à être sensiblement non rotatif autour de l’axe Ac. En outre, le joint d’étanchéité 18 a une surface d’étanchéité généralement radiale 42 sur l’extrémité axiale interne 18a, la surface d’étanchéité 42 étant configurée pour venir en prise de manière étanche avec la surface de contact du corps interne 34 de façon à empêcher au moins généralement un écoulement de fluide entre la seconde extrémité axiale du corps externe 12b et le palier 15, spécifiquement par l’intermédiaire d’une interface SI entre le joint d’étanchéité 18 et le corps 14. Ayant décrit les éléments de base cidessus, ceux-ci et d’autres composants de l’ensemble palier et joint d’étanchéité combinés 10 sont décrits plus en détail ci-après.
En référence aux figures 1-9 et 14-16, le corps externe tubulaire 12 est généralement circulaire, mais de préférence se rétrécit généralement radialement vers l’intérieur dans une direction axiale Di (Fig. 1) à partir de la première extrémité axiale 12a jusqu’à la seconde extrémité axiale 12b. Le corps tubulaire externe 12 est de préférence réalisé sous la forme d’une construction d’une seule pièce ou sous la forme d’un unique corps intégré, mais peut en variante être formé d’une pluralité de sections de corps tubulaires reliées (non représentées). De préférence, une pluralité de pattes 44 sont situées adjacentes à la première extrémité axiale du corps 12a et s’étendent radialement vers l’extérieur à partir de la surface externe 22 et sont espacées de manière circonférentielle autour de l’axe central 13. Les pattes 44 peuvent venir en prise avec l’élément externe 2 pour relier de manière fixe l’ensemble palier et joint d’étanchéité 10 avec celui-ci, tel que représenté sur la figure 1, bien que le corps externe 12 puisse en variante être pourvu d’une bride radiale ou de toute autre structure appropriée pour permettre une connexion avec le second élément 2.
En outre, le corps externe 12 a de préférence une section d’épaulement annulaire 46 s’étendant radialement vers l’intérieur à partir d’un reste de la surface interne du corps 20, et située de manière adjacente à la seconde extrémité axiale 12b. L’épaulement 46 a une surface circonférentielle interne 47 pouvant venir en prise par le joint d’étanchéité 18, de préférence par un joint d’étanchéité secondaire 78 disposé autour du joint d’étanchéité 18 comme décrit ci après. En variante, le corps externe 12 peut être formé sans aucun épaulement et à la place une section 20a de la surface interne 20 peut venir en prise par un joint d’étanchéité de cartouche 90, tel que représenté sur les figures 15 et 16 et décrit ci-après. Avec l’épaulement préféré 46, le corps externe 12 comprend de préférence en outre une bride de retenue annulaire 48 s’étendant radialement vers l’intérieur à partir de la seconde extrémité axiale 12b du corps externe et fournit une surface de retenue radiale 49 pour un élément de sollicitation 86, comme discuté en détail cidessous.
En se référant maintenant aux figures 1-11 et 14-16, le corps interne tubulaire 14 est également de préférence généralement circulaire et a une longueur axiale Lai d’environ la moitié de la longueur axiale Lao du corps externe 12, comme indiqué sur la figure 5. Comme avec le corps externe 12, le corps intérieur tubulaire 14 est également de préférence formé comme une seule pièce ou un unique corps intégré mais peut à la place être formé d’une pluralité de sections de corps tubulaires reliées. Le corps interne 14 a un épaulement s’étendant radialement vers l’extérieur 50, adjacent à l’extrémité axiale interne du corps 14b de façon à augmenter la largeur radiale de l’extrémité axiale 14b, et augmente ainsi la superficie de la surface de contact de joint d’étanchéité 34. De préférence, une pluralité de rainures 52 s’étendent axialement vers l’intérieur à partir de la surface de contact de joint d’étanchéité 34 et sont chacune configurées pour générer une force de sollicitation axiale sur le joint d’étanchéité 18 lorsque l’élément rotatif 1 tourne autour de l’axe central Ac de telle sorte que la surface d’étanchéité 42 est espacée axialement de la surface de contact du corps interne 34.
Plus spécifiquement, le fluide entrant dans les rainures 52 lorsque le corps interne tubulaire 14 tourne autour de l’axe central Ac (c’est-à-dire, avec l’élément rotatif 1) devient sous pression et est dirigé contre la surface d’étanchéité 42, amenant le joint d’étanchéité 18 à se déplacer axialement à l’opposé de la surface de contact 34, réduisant ainsi (et de préférence éliminant temporairement) les frottements entre le joint d’étanchéité 18 et le corps interne tubulaire 14. De préférence, afin de réduire davantage les frottements, en particulier dans la transition entre des conditions statiques et dynamiques, un revêtement résistant à l’usure peut être disposé sur la surface de contact 34 du corps tubulaire interne 14.
De préférence, le chemin de roulement interne 36 est espacé radialement vers l’intérieur à partir d’un reste de la surface circonférentielle externe 32 du corps tubulaire interne 14. De telle sorte, deux surfaces de support, 54a, 54b, sont définies chacune adjacente à une extrémité axiale séparée 36a, 36b, respectivement, du chemin de roulement interne 36, lesquelles supportent la cage de roulement 40 comme décrit plus en détail ci-après. En outre, le corps interne 14 a également de préférence une pluralité de fentes axiales 56 s’étendant à partir de l’extrémité axiale externe 14a du corps interne et radialement vers l’extérieur à partir de la surface interne du corps 30. Au moins un et de préférence une pluralité de passages de lubrification radiaux 58 s’étendent chacun généralement radialement entre la surface circonférentielle interne du corps 30, de préférence à partir d’une fente axiale séparée des fentes axiales 56, et l’une des deux sections de surface de support 54a, 54b. Ainsi, le lubrifiant entrant dans les fentes axiales 52 est dirigé radialement vers l’extérieur à travers les passages radiaux 56 par la force centrifuge, entrant ensuite dans l’espace entre les surfaces de support, 54b, 54b et la cage 40 pour lubrifier la cage 40 lorsqu’elle se déplace de manière coulissante sur les surfaces de support 54a, 54b et les éléments roulants 16.
En référence aux figures 3, 8 et 9, la cage de roulement 40 est disposée généralement entre les éléments tubulaires externe et interne 12, 14 et configurée pour retenir « de manière lâche » la pluralité d’éléments roulants 16. La cage 40 comprend des surfaces circonférentielles interne et externe 41A, 41B et une pluralité d’ouvertures s’étendant radialement 43 entre les surfaces 41A, 41B, chacune étant de préférence formée sous la forme d’une poche généralement rectangulaire, comme mieux représenté sur la figure 3. Un élément séparé de la pluralité d’éléments roulants 16 est disposé à l’intérieur de chacune des ouvertures/poches de cage 43, de telle sorte que la cage 40 se déplace angulairement autour de l’axe central Ac lorsque chaque élément de roulement 16 roule simultanément sur les chemins de roulement 26, 36 et tourne à l’intérieur de la poche associée 43. En outre, comme mentionné ci-dessus, la cage de palier 40 est disposée autour des deux sections de surface de support du corps interne, 54a, 54b de telle sorte que la surface interne de cage 41A coulisse le long des surfaces 54a, 54b lorsque la cage 40 se déplace angulairement autour de l’axe Ac.
En se référant maintenant aux figures 1-9 et 12-14, le joint d’étanchéité 18 comprend de préférence un corps annulaire 60 généralement circulaire ayant des extrémités axiales externe et interne opposées 60a, 60b, l’extrémité interne 60b fournissant la surface d’étanchéité 42, et des surfaces circonférentielles interne et externe 62, 63. Le corps annulaire 60 est de préférence une construction d’une seule pièce, mais peut également comprendre une pluralité de segments arqués séparés (non représentés) reliés les uns aux autres pour former le corps 60. Le corps de joint d’étanchéité 60 est dimensionné de telle sorte que la surface interne de joint d’étanchéité 62 est espacée radialement vers l’extérieur à partir de l’élément rotatif 1 lorsque le joint d’étanchéité 18 est disposé autour de l’élément/arbre 1, comme représenté sur la figure 1, de manière à éliminer tout frottement entre le joint d’étanchéité 18 et l’élément rotatif 1/arbre 3. En outre, un épaulement 64 s’étend radialement vers l’intérieur à partir d’un reste de la surface interne 62 adjacent à l’extrémité axiale interne du corps de joint 60b de façon à augmenter la largeur radiale de l’extrémité interne 60b, et donc la surface de la surface d’étanchéité 42. De préférence, une bride annulaire 65 s’étend radialement vers l’extérieur à partir de la surface externe du corps 63 et comprend une pluralité de fentes axiales 66, chacune étant configurée pour recevoir un coupleur 70, comme décrit ci-après. Le corps d’étanchéité 60 est de préférence formé d’un matériau carboné, mais peut en variante être formé d’un matériau céramique, d’un matériau polymère à haute température, ou de tout autre matériau approprié.
Comme mieux visible dans les figures 1 et 3-7, l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné 10 comprend de préférence en outre au moins un et de préférence une pluralité de coupleurs 70, chacun étant configuré pour coupler de façon mobile le joint d’étanchéité 18 au corps externe tubulaire 12. De telle sorte, le joint d’étanchéité 18 est axialement déplaçable à l’intérieur de l’alésage du corps externe 24 et non rotatif par rapport à l’axe central Ac ; c’est-àdire que le ou les coupleurs 70 empêchent le déplacement angulaire du joint d’étanchéité 18 autour de l’axe Ac. Chaque coupleur 70 comprend de préférence une broche allongée 72 ayant une première extrémité 72a disposée à l’intérieur de la section d’épaulement du corps externe 46 et une seconde extrémité 72b disposée à l’intérieur de l’une des fentes axiales de bride d’étanchéité 69. Les broches de couplage 72 interagissent avec la bride d’étanchéité 68 pour empêcher sensiblement un déplacement angulaire du joint d’étanchéité 18, mais les fentes 69 permettent au joint d’étanchéité 18 de coulisser axialement le long des broches 72. Bien que les broches de couplage 70 soient actuellement préférées, l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné 10 peut en variante avoir toute autre structure ou tout autres composants pour coupler de façon mobile le joint d’étanchéité 18 avec le corps tubulaire externe 12, une variante étant représentée dans les figures 15 et 16 telles que décrites ci-après.
Toujours en référence aux figures 1 et 3-7, l’ensemble palier et joint 10 comprend de préférence en outre un joint d’étanchéité secondaire 78 pour empêcher un écoulement de fluide entre le joint d’étanchéité 18 et le corps tubulaire externe 12. Le joint d’étanchéité secondaire 78 comprend de préférence un corps annulaire 80 disposé autour du joint d’étanchéité 18 et configuré pour assurer l’étanchéité généralement entre le joint d’étanchéité 18 et le corps tubulaire externe 12, pour empêcher ainsi un écoulement de fluide entre la surface externe d’étanchéité 63 et la surface interne du corps tubulaire 20. De préférence, le corps d’étanchéité 60 a une rainure annulaire 82 s’étendant radialement vers l’intérieur à partir de la surface externe 63, et le corps d’étanchéité secondaire 80 est un joint d’étanchéité torique disposé à l’intérieur de la rainure 82 et configuré pour assurer l’étanchéité vers l’extérieur contre la section de surface interne 47 de l’épaulement du corps externe 46. Cependant, le joint d’étanchéité secondaire 78 peut être construit de toute autre manière appropriée, telle que, par exemple, comme une partie intégrée (par exemple, une bride) du corps de joint d’étanchéité 60 qui assure l’étanchéité directement contre la surface interne d’épaulement 47.
En se référant de nouveau aux figures 1 et 3-7, l’ensemble palier et joint 10 comprend également de préférence en outre au moins un élément de sollicitation 86 configuré pour solliciter le joint d’étanchéité 18 de manière généralement axiale vers la surface de contact de joint d’étanchéité du corps interne 34. Plus spécifiquement, l’élément de sollicitation 86 comprend de préférence un ressort ondulé 88 et est disposé entre l’extrémité axiale externe d’étanchéité 60a et la bride de retenue du corps externe 48. Le ressort ondulé 88 est partiellement comprimé entre l’extrémité du corps 60a et la bride de retenue 48 de manière à avoir tendance à « pousser » ou déplacer axialement le corps de joint 60 dans une autre direction D2 (Fig. 1) vers le corps interne tubulaire 14. En variante, l’élément ou les éléments de sollicitation 86 peuvent comprendre un ou plusieurs ressorts de compression de bobine ou tout autre composant approprié capable de solliciter axialement le joint d’étanchéité 18.
Dans tous les cas, l’élément de sollicitation 86 fonctionne pour assurer que la surface d’étanchéité du corps d’étanchéité 42 reste juxtaposée contre la surface de contact de joint d’étanchéité 34 dans un état statique de l’ensemble 10 et de la machine 3, c’est-à-dire lorsque l’élément interne 1/arbre 3 est non rotatif, afin d’empêcher un écoulement de fluide dans l’interface d’étanchéité SI entre le joint d’étanchéité 18 et le corps tubulaire interne 14.
Cependant, dans un état dynamique avec l’élément rotatifiarbre 1 et le corps interne tubulaire couplé 14 tournant ou se déplaçant angulairement autour de l’axe central Ac, les rainures 52 dans la surface de contact 34 du corps interne mettent sous pression et dirigent le fluide dans l’interface SI pour déplacer le corps de joint d’étanchéité 60 à l’opposé du corps tubulaire 14 afin de réduire les frottements. Bien que certains fluides passent à travers l’interface de joint d’étanchéité SI pendant des conditions dynamiques, la réduction sensible des frottements augmente de manière significative la durée de vie du joint d’étanchéité, ce qui est considéré plus important qu’un empêchement ou une interruption complète de l’écoulement de fluide à travers l’interface SI.
En se référant maintenant aux figures 15 et 16, le joint d’étanchéité 18 peut en variante être fourni par un ensemble joint d’étanchéité de cartouche 90 comprenant en outre un logement de joint externe 92 ayant une chambre interne Ch contenant au moins partiellement le joint d’étanchéité 18 et une surface circonférentielle externe 93. La surface externe de logement de joint 93 est de préférence en prise par frottement avec une partie de la surface interne du corps externe 20 pour retenir l’ensemble joint d’étanchéité de cartouche 90 à l’intérieur du corps externe tubulaire 12, bien qu’une bride en C 94 soit également prévue de préférence pour venir en prise avec le corps externe 12 et le logement 92 pour retenir axialement le joint d’étanchéité de cartouche 19. En outre, le logement 92 est de préférence en forme de C et a une partie annulaire externe 92a fournissant la surface externe 93, et une partie annulaire interne 92b et une partie radiale 92c reliant les parties externe et interne 92a, 92b.
De préférence, au moins une et de préférence deux pattes fixes anti-rotation 96 sont chacune rigidement fixées à la surface interne de la partie annulaire externe de logement 92a et viennent en prise avec des fentes d’accouplement (non indiquées) dans le corps de joint d’étanchéité 60 pour empêcher le déplacement angulaire du joint d’étanchéité 18. En outre, un joint d’étanchéité secondaire interne 98, de préférence un joint d’étanchéité torique, est disposé entre le corps d’étanchéité 60 et la partie annulaire interne de logement 92b. L’élément de sollicitation 86 est de préférence disposé à l’intérieur du logement 92 et est comprimé entre la partie annulaire de logement 92c et l’extrémité externe du corps de joint d’étanchéité 60b. En tant que tel, l’élément de sollicitation 86 sollicite le corps de joint d’étanchéité 60 vers le corps interne tubulaire 14, de telle sorte que le corps 60 coulisse contre les pattes anti-rotation fixes 96 et sur le joint d’étanchéité secondaire interne 98, et l’écoulement de fluide au-delà du logement 92 et du joint d’étanchéité 18 est sensiblement empêché.
Il apparaîtra clairement à l’homme du métier que des changements pourront être apportés aux modes de réalisation décrits ci-dessus sans sortir du concept de l’invention. On comprendra 5 donc que cette invention n’est pas limitée aux modes de réalisation particuliers de l’invention présentés, et que celle-ci comprend les modifications à l’intérieur de l’esprit et de la portée de la présente invention telle que définie généralement dans les revendications jointes.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné (10) pour coupler un élément interne rotatif (1) à un élément externe (2), l’élément interne (1) pouvant tourner autour d’un axe central (Ac), l’ensemble palier et joint d’étanchéité (10) comprenant :
    un corps externe (12) généralement tubulaire pouvant être relié à l’élément externe (2), pouvant être disposé autour de l’élément interne rotatif (1) et ayant un axe central (13), des première et seconde extrémités axiales (12a, 12b), des surfaces circonférentielles interne et externe opposées (20, 22), la surface interne (20) du corps externe (12) définissant un alésage (24), et un chemin de roulement externe de palier (26) sur la surface interne (20) du corps externe (12) ;
    un corps interne (14) généralement tubulaire disposé à l’intérieur de l’alésage (24) du corps externe (12) de façon à être généralement coaxial avec le corps externe (12), le corps interne (14) pouvant être disposé autour de l’élément rotatif (1) et pouvant être couplé à celui-ci et ayant des surfaces circonférentielles interne et externe (30, 32), des extrémités axiales externe et interne opposées (14a, 14b), l’extrémité axiale interne (14b) fournissant une surface de contact d’étanchéité (34) généralement radiale, et un chemin de roulement interne de palier (36) sur la surface externe (32) du corps interne (14), le chemin de roulement interne (36) étant généralement aligné axialement avec le chemin de roulement externe (26) ;
    une pluralité d’éléments de roulement (16) disposés entre les chemins de roulement externe (26) et interne (36) de manière à coupler en rotation les corps externe (12) et interne (14) et former un palier (15) ;
    caractérisé en ce que l’ensemble (10) comprend également un joint d’étanchéité (18) généralement annulaire disposé à l’intérieur de l’alésage (24) du corps externe (12) généralement axialement entre la seconde extrémité axiale (12b) du corps externe (12) et l’extrémité axiale interne (14b) du corps interne (14), couplé au corps externe tubulaire (12) et pouvant être disposé autour de l’élément interne rotatif (1), le joint d’étanchéité (18) ayant une surface d’étanchéité généralement radiale (42) configurée pour venir en prise de manière étanche avec la surface de contact (34) du corps interne (14) de façon à empêcher généralement un écoulement de fluide entre la seconde extrémité axiale (12b) du corps externe (12) et le palier (15).
  2. 2. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon la revendication 1, le chemin de roulement externe (26) étant formé par une section de la surface interne (20) du corps externe (12) ou par une surface circonférentielle interne (38a) d’un corps annulaire (38) disposé à l’intérieur du corps externe (12) ; et le chemin de roulement interne (36) étant formé par une section de la surface circonférentielle externe (32) du corps interne (14) ou par une surface circonférentielle externe (39a) d’un corps annulaire (39) disposé autour du corps interne (14).
  3. 3. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon la revendication 1 ou 2, la surface circonférentielle externe (32) du corps interne tubulaire (14) ayant une section de surface fournissant le chemin de roulement interne (36), la section de surface de chemin de roulement (36) ayant deux extrémités axiales opposées (36a, 36b), et deux sections de surface de support (54a, 54b), chacune espacée radialement vers l’extérieur à partir d’une extrémité séparée de la section de surface de chemin de roulement (36) ; et l’ensemble palier et joint d’étanchéité combiné (10) comprenant en outre une cage de palier (40) généralement annulaire disposée de manière coulissante autour des deux sections de surface de support (54a, 54b) et comprenant une pluralité d’ouvertures (43) s’étendant radialement, un élément séparé parmi la pluralité d’éléments de roulement (16) étant disposé à l’intérieur de chacune des ouvertures (43) de cage (40).
  4. 4. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon la revendication 3, le corps interne tubulaire (14) ayant au moins un passage de lubrification (58) s’étendant généralement radialement entre la surface circonférentielle interne (30) du corps interne (14) et l’une des deux surfaces d’épaulement (54a, 54b).
  5. 5. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon l’une quelconque des revendications précédentes, le corps externe tubulaire (12) étant configuré pour être relié de manière fixe à l’élément externe (2) de façon à être non rotatif par rapport à l’axe central (Ac).
  6. 6. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins un élément parmi :
    au moins un coupleur (70) configuré pour coupler de façon mobile le joint d’étanchéité (18) avec le corps externe (12) de telle sorte que le joint d’étanchéité (18) est axialement déplaçable à l’intérieur de l’alésage (24) du corps externe (12) et non rotatif par rapport à l’axe central (Ac) ;
    un élément de sollicitation (86) configuré pour solliciter le joint d’étanchéité (18) généralement axialement vers la surface de contact (34) de joint d’étanchéité (18) du corps interne (14) ;
    un joint d’étanchéité secondaire (78) comprenant un corps annulaire (80) disposé autour du joint d’étanchéité (18) et configuré pour assurer l’étanchéité généralement entre le joint d’étanchéité (18) et le corps tubulaire externe (12) ; et une cage de palier (40) généralement annulaire disposée généralement entre les éléments tubulaires externe (12) et interne (14), et comprenant une pluralité d’ouvertures (43) s’étendant radialement, un élément séparé parmi la pluralité d’éléments de roulement (16) étant disposé à l’intérieur de chacune des ouvertures (43) de cage (40).
  7. 7. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon l’une quelconque des revendications précédentes, le joint d’étanchéité (18) ayant une surface circonférentielle interne (62), le joint d’étanchéité (18) étant dimensionné de telle sorte que la surface circonférentielle interne (62) du joint d’étanchéité (18) est espacée radialement vers l’extérieur à partir de l’élément rotatif (1) lorsque le joint d’étanchéité (18) est disposé autour de l’élément rotatif (1).
  8. 8. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le joint d’étanchéité (18) comprend une pluralité de segments arqués; et/ou le joint d’étanchéité (18) étant formé d’un matériau carboné, d’un matériau céramique ou d’un matériau polymère à haute température.
  9. 9. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un ensemble joint d’étanchéité de cartouche (90) comprenant en outre un logement de joint d’étanchéité externe (92) ayant une chambre interne (Ch) contenant au moins partiellement le joint d’étanchéité (18) et une surface circonférentielle externe (93) pouvant venir en prise avec une partie de la surface interne (20) du corps externe (12) pour retenir l’ensemble joint d’étanchéité de cartouche (90) à l’intérieur du corps externe tubulaire (12).
  10. 10. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins l’un parmi :
    le corps tubulaire interne (14) ayant une pluralité de rainures (52) s’étendant axialement vers l’intérieur à partir de la surface de contact d’étanchéité (42), et configurées pour générer une force de sollicitation axiale sur le joint d’étanchéité (18) lorsque l’élément rotatif (1) tourne autour de l’axe central (Ac) de telle sorte que la surface d’étanchéité (42) est espacée axialement de la surface de contact (34) ; et un revêtement résistant à l’usure étant disposé sur la surface de contact d’étanchéité (34) du corps tubulaire interne (14).
  11. 11. Ensemble palier et joint d’étanchéité combiné selon l’une quelconque des revendications précédentes, chacun des corps tubulaires interne (14) et externe (12) comprenant un corps tubulaire unique ou une pluralité de sections de corps tubulaires reliées.
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