Dispositif d'étanchéité aux fluides entre un arbre rotatif et un logement entourant cet arbre La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité aux fluides entre un arbre rotatif et un logement entourant cet arbre, par exemple dans une pompe, de manière à empêcher toute perte de fluide hors de ce logement. Ce dispositif est particulière ment utile pour des pompes ou autres machines semblables destinées à traiter du sable ou une autre matière solide et pour lesquelles il se pose de sérieux problème relatifs à l'abrasion et à l'usure intense des parties métalliques et des garnitures exposées.
II est connu en pratique d'injecter ou de libérer le fluide, de l'eau par exemple, dans une boîte à étoupe ou dans une chambre de scellage d'une pompe et de laisser passer le fluide librement dans la chambre de la pompe, afin que le fluide lave continuellement la garniture pour la lubrifier, em pêche les pertes de fluide à travers cette garniture, refroidisse cette dernière et empêche un courant contraire de fluide porteur de sable ou de limon dans la boîte à étoupe ou la chambre de scellage. Un tel procédé ne donne pas satisfaction et les parties expo sées de la boîte à étoupe ou de la chambre de scel lage doivent être réparées ou remplacées très sou vent.
De même, quand la pompe est mise au repos après une période d'usage, rien n'empêche le sable ou le limon de se déposer dans la boîte à étoupe ou la chambre de scellage et de la remplir. Il devient alors très difficile de remettre l'installation en mar che, et le couple de démarrage requis est très élevé et soumet, en outre, à un gros effort les organes de la machine.
L'écoulement libre du fluide à travers la boîte à étoupe ou la chambre de scellage nécessite aussi une très forte consommation de fluide et, par consé quent, une dilution impossible à contrôler de la matière passant dans l'installation. En outre, l'usure et la formation de cavités ont toujours constitué un sérieux problème, particulièrement dans la zone où l'arbre ou le manchon d'usure qui le protège rejoint la pièce rotative. Il s'ensuit une détérioration impor tante de l'arbre ou du manchon d'usure et ce der nier peut être complètement coupé et devenir inu tilisable.
L'invention a pour but de fournir un tel dispo sitif d'étanchéité permettant de surmonter ces incon vénients et ces difficultés et de résoudre dans une grande mesure le problème de l'usure des diverses parties d'une pompe.
Le dispositif d'étanchéité aux fluides faisant l'ob jet de la présente invention, entre un arbre rotatif et un logement entourant cet arbre, ledit logement constituant avec ledit arbre une chambre de pression annulaire alimentée avec un fluide sous pression et présentant une sortie de décharge du fluide, est caractérisé en ce qu'il comprend-des anneaux encer clant ledit arbre et disposés dans la chambre de pression annulaire en relation d'étanchéité avec le logement pour resserrer l'écoulement du fluide sous pression à travers la chambre de pression annulaire le long de l'arbre vers la sortie de décharge,
ladite sortie présentant des passages étranglés à travers lesquels le fluide sous pression est déchargé sous haute pression à une vitesse déterminée.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme et une variante d'exécution du dispositif selon l'invention. La fig. 1 est une coupe verticale de cette forme d'exécution.
La fig. 2 est une coupe selon 2-2 de la fig. 1. La fig. 3 est une vue partielle d'un manchon représenté aux fig. I et 2.
La fig. 4 est une coupe d'une variante dudit manchon.
La fig. 5 est une coupe selon 5-5 de la fig. 1. La fig. 6 est une coupe partielle, à plus grande échelle, d'un détail représenté à la fig. 2.
La fig.7 est une coupe similaire à celle de la fig. 2 faite dans un autre plan.
La fig. 8 est une coupe, à plus grande échelle, d'un détail représenté à la fig. 1.
La fig. 9 est une coupe similaire à celle de la fig. 8, montrant les divers organes dans une autre position.
Dans la forme d'exécution représentée, le dis positif d'étanchéité est appliqué à l'arbre d'une pompe dont le rotor est porté par un arbre I et enveloppé dans une gaine de caoutchouc 2, la pompe comprenant une bâche 3 également protégée par une gaine de caoutchouc 4. L'arbre 1 est entouré par un manchon d'usure 5 qui présente une bride 6 d'une pièce avec le manchon et s'appuyant contre la gaine 2 du rotor, constituant avec elle un joint étanche sous l'action d'un collier 7 vissé sur une partie filetée de l'arbre 1. L'engagement à frottement entre la bride 6 et la gaine 2 du rotor assure la rotation du manchon 5 avec le rotor sans glissement et sans perte de fluide ou de limon intérieurement entre la bride 6 et le rotor et vers l'arbre 1.
La bâche 3 de la pompe présente un évidement axial 8 formant un épaulement 9 à son extrémité interne, c'est-à-dire à l'extrémité la plus proche du rotor de la pompe. L'espace annulaire entre l'évi dement 8 et le manchon d'usure 5 de l'arbre 1 cons titue une chambre de pression annulaire destinée à être alimentée en fluide sous pression, comme on le verra plus loin. La gaine protectrice de caoutchouc 4 de la bâche 3 s'étend radialement vers l'intérieur pour couvrir la surface constituée par l'épaulement 9.
Le dispositif d'étanchéité comprend, en outre, un anneau flexible 10 en caoutchouc, en forme de cône, qui est lié à une extrémité à une bague filetée 11 et à l'autre extrémité à une bague 12 à section en forme de Z. L'espace entre les bagues 11 et 12 per met une dilatation et une contraction considérables de l'anneau de caoutchouc 10 pour son réglage laté ral sur l'arbre 1 ou pour le réglage du dispositif lui- même. Une bague de butée 13 présentant une bride est ajustée à pression dans la bague 12 et bute contre une face radiale de la bride 6 du manchon d'usure 5, en formant un joint étanche avec cette surface. La bague de butée 13 est faite d'une matière choisie selon le fluide destiné à passer à travers le dispositif et la pompe.
Quand il s'agit de traiter du sable et de l'eau, cette bague peut être faite d'une résine synthétique. La bague de butée 13 présente une section en L et est montée sur la bague 12 de ma nière à permettre à l'anneau 10 et à la bague 12 de chevaucher la bride 6 du manchon 5 et de s'étendre jusqu'à une courte distance de la face radiale 37 de la bride, en laissant un espace annulaire 36 s'éten dant radialement entre l'extrémité de l'anneau de caoutchouc 10 et la gaine de caoutchouc 2 du rotor, ce jeu constituant une sortie de décharge du fluide comme on le verra plus loin.
Le dispositif comprend, en outre, une série d'an neaux 14, 18 et 27 disposés axialement le long de l'arbre 1, adjacents les uns aux autres. L'anneau 14, dit anneau intérieur parce qu'il est le plus proche de l'espace 36 constituant la sortie de décharge du fluide, comprend une bride axiale 15 filetée, destinée à engager la bague filetée 11. Les filets de la bague 11 et de la bride 15 sont des filets à gauche si la pompe tourne dans le sens du mouvement des ai guilles d'une montre comme indiqué à la fig. 2, empêchant ainsi le dévissage de l'ensemble lors de la rotation.
Deux évidements 40 sont percés dans la face externe de l'anneau intérieur 14 pour recevoir une clé à fourche permettant de visser l'anneau inté rieur 14 sur la bague<B>11.</B> L'anneau 14 comprend une bride radiale 16 dirigée vers l'extérieur sur sa face extérieure, cette bride 16 supportant un joint d'étanchéité compressible 17 s'engageant de manière étanche avec une face radiale de l'épaulement 9 à l'extrémité intérieure de l'évidement axial 8, de ma nière à empêcher à ce niveau le passage du fluide de l'évidement 8 à la chambre du rotor de la pompe à l'extérieur du dispositif d'étanchéité.
L'anneau 18, dit anneau intermédiaire , bute contre l'anneau intérieur 14 et présente le même diamètre extérieur que celui-ci pour former un évi dement annulaire 45 constituant une chambre d'en trée de fluide annulaire 19 dans la chambre de pression annulaire, en communication avec un pas sage d'entrée de fluide 20 ménagé dans la bâche de la pompe. L'anneau intermédiaire 18 comprend une bride axiale 21 d'un diamètre supérieur à celui de l'anneau et de peu inférieur au diamètre de l'évi dement axial 8, de manière à former autour de l'an neau intermédiaire 18 un espace annulaire pour le fluide communiquant avec la chambre d'entrée de fluide 19.
La bride 21 coopère avec le manchon d'usure 5 pour former une chambre annulaire de fluide 24 et comprend une bride radiale 22 dirigée vers l'intérieur contre laquelle est serré un anneau d'étanchéité flexible 25 par sa périphérie extérieure, au moyen d'un anneau de serrage 26, de manière à laisser libre la partie intérieure de l'anneau d'étan chéité 25. Une série d'ouvertures inclinées 23 sont ménagées dans l'anneau intermédiaire 18 et espacées selon la circonférence de ce dernier pour constituer une communication libre non resserrée entre la chambre d'entrée de fluide 19 et la chambre de fluide 24.
Les diamètres internes de la bague de butée 13, de l'anneau intérieur 14 et de l'anneau intermédiaire 18 sont légèrement plus grands que le diamètre externe du manchon d'usure 5, afin de for mer un passage annulaire resserré 50 tout au long du manchon 5 destiné à resserrer l'écoulement du fluide sous pression de la chambre 24 à la sortie de décharge constituée par l'espace annulaire 36.
Un anneau 27, dit anneau extérieur parce qu'il est le plus éloigné de la sortie de décharge du fluide, présente un épaulement 28 pour supporter un anneau d'étanchéité 29 compressible, disposé de manière à être comprimé entre l'anneau extérieur 27 et la bride 21 de l'anneau intermédiaire 18 et forcé pour s'engager de manière étanche avec la surface de l'évidement axial 8.
Une mince bride axiale 30, d'une pièce avec l'anneau 27, s'appuie contre la partie libre de l'anneau d'étanchéité flexible 25 pour faire fléchir ce dernier et assurer son engagement étanche avec le manchon d'usure 5, cette partie de l'anneau d'étanchéité étant placée dans une position approximativement perpendiculaire aux ouvertures 23 pour le fluide (fig. 1 et 9). La flexion de l'anneau d'étanchéité 25 assure l'engagement du manchon 5 seulement selon une ligne de contact et non par toute l'épaisseur de l'anneau d'étanchéité, ce qui élimine dans une grande mesure le frottement entre l'anneau d'étanchéité et le manchon rotatif, tout en assurant la pression d'étanchéité maximum.
L'ensemble des anneaux est maintenu sous pres sion dans la chambre de pression annulaire présen tant l'évidement axial 8 par un écrou 31 fixé sur la bâche de la pompe par des moyens non repré sentés, par exemple par goujons et écrous.
La bride 6 du manchon d'usure 5 (fig. 2, 6 et 7) présente une périphérie 34 à conicité axiale, à dis tance de la partie chevauchante de la bague 12 à section en Z et formant avec cette dernière, et en coopération avec la bague de butée 13, une tuyère annulaire conique 33 s'étendant axialement et en cerclant le manchon d'usure 5.
La face radiale de la bride 6 du manchon 5, qui est engagée de manière étanche avec la bague de butée 13, présente des rainures 32 radiales et espacées selon la circonférence, qui forment avec la surface coopérante de la bague de butée 13 des tuyères radiales communiquant chacune à une extré mité avec le passage annulaire resserré 50 le long du manchon d'usure et à l'autre extrémité avec la tuyère annulaire 33. Le fluide sous pression s.'écou- lant de la chambre de pression annulaire limitée par l'évidement 8 et passant par la chambre d'entrée 19, les ouvertures 23, la chambre du fluide 24 et le passage annulaire resserré 50, est déchargé à travers les tuyères radiales dans la tuyère annulaire 33.
Cette tuyère 33 communique avec la sortie de décharge du fluide sous pression formée par l'espace annulaire 36, entre l'anneau de caoutchouc 10 et la gaine de caoutchouc 2 du rotor. Cet espace annu- laire 36 forme une simple sortie de décharge pour le fluide sous pression depuis la chambre de pres sion annulaire dans la chambre de la pompe, et quand l'arbre 1 avec son manchon d'usure 5 et les tuyères de décharge tournent à haute vitesse, le fluide sous pression projeté dans l'espace annulaire 36 devient un simple jet radiant qui lave la surface du rotor 2 et empêche un écoulement inverse du fluide pompé dans le palier.
Dans la variante repré sentée à la fig. 4, la face radiale de la bride 6 du manchon 5 présente des rainures incurvées 38 et non des rainures radiales telles que 32, pour donner un élan supplémentaire à la décharge du fluide sous pression à partir de la sortie dans le corps de la chambre de la pompe. Dans une variante, les rai nures radiales 32 ou incurvées 38 pourraient être formées dans la face de la bague de butée 13 et non dans la bride 6 du manchon 5.
Pour assembler le dispositif, avant que le rotor de la pompe et l'arbre 1 soient montés dans la bâche, on amène ensemble l'anneau de caoutchouc 10 et ses parties composantes avec l'anneau intérieur 14 et l'anneau d'étanchéité 17 dans la bâche de la pompe, dans la position représentée à la fig. 1, l'an neau intérieur 14 étant vissé dur sur la bague 11 au moyen d'une clé à fourche placée dans les évi dements 40 ménagés dans l'anneau intérieur 14. L'anneau intermédiaire 18 et l'anneau extérieur 27 sont alors assemblés ensemble dans la bâche, sans l'anneau d'étanchéité 29.
Cet assemblage prélimi naire a pour effet de pousser la bride 30 et l'anneau d'étanchéité 25 plus en avant que la position nor male, comprimant ainsi l'anneau 25 et augmentant son diamètre- interne suffisamment pour permettre d'insérer le manchon d'usure 5 depuis l'extrémité rotor de la bâche sans résistance de cet anneau d'étanchéité 25. Quand l'anneau intermédiaire 18 est poussé en place contre l'anneau intérieur 14 et quand le manchon d'usure 5 est inséré, l'anneau extérieur 27 est retiré de la bâche et l'anneau d'étan chéité 29 est ajusté sur l'épaulement 28. L'anneau extérieur 2.7 est alors inséré à nouveau dans la bâche et tout l'ensemble des anneaux est comprimé au moyen de l'écrou 31.
Le rotor de la pompe avec son arbre 1 est maintenant ajusté et serré au moyen du collier fileté 7 de manière à constituer un joint étanche entre la gaine de caoutchouc 2 du rotor et la face radiale de butée de la bride 6 du manchon 5.
Le réglage axial du rotor relativement à la bâche, en vue de rattraper l'usure par exemple, peut être assuré, sans perturber le dispositif d'étanchéité ni nécessiter son réglage, par une nouvelle compres sion de l'anneau de caoutchouc 10 entre l'anneau intérieur 14 et la bride 6 du manchon d?'usure, une telle compression supplémentaire étant permise par le jeu axial entre la bride axiale 15 de l'annneau intérieur 1.4 et la bague de butée 13.
Lors du fonctionnement du dispositif, le fluide sous pression est utilisé comme lubrifiant pour l'ar bre rotatif et il est pompé à travers le passage d'en- trée 20 dans la chambre de pression annulaire dans l'évidement axial 8. Depuis la chambre d'entrée 19 dans ladite chambre de pression annulaire, le fluide sous pression passe à travers les ouvertures 23 dans la chambre 24 et le long du passage resserré 50 vers les tuyères de décharge radiales et la tuyère annulaire 33. L'anneau de fluide sous pression rela tivement long contenu dans le passage 50 et agissant sur le manchon 5 réduit l'usure du manchon lui- même à une valeur minimum.
La sortie du fluide sous pression dans le corps de la pompe à travers l'espace annulaire 36 est commandée par le nombre et la dimension des sections transversales des tuyères radiales formées par les rainures 32, et comme ces rainures s'ouvrent sur la surface de la bague de butée 13, cette surface est soigneusement lubrifiée à tout instant.
En commandant la quantité de fluide sous pres sion alimenté dans la boite à étoupe et la sortie contrôlée du fluide sous pression à partir du dispo sitif vers la pompe, la matière ayant passé à .travers la pompe peut être maintenue à une densité fixe en tout temps et, quand la matière qui passe doit être utilisée dans un procédé quelconque, la dilution pro duite par le passage du fluide sous pression depuis la boite à étoupe est maintenue dans une limite définie.
Dans les dispositifs connus où le fluide sous pression passe à travers la boite à étoupe sans que la sortie soit contrôlée, la matière pompée peut, comme on l'a vu, retourner dans la boîte à étoupe une fois que le rotor de la pompe a cessé de tourner. On a alors une usure excessive de la boîte à étoupe et de ses parties et il faut une puissance élevée pour faire démarrer la pompe.
Dans le dispositif décrit, la matière pompée ne peut, dans une certaine me sure, grâce à sa consistance, être renvoyée dans la boîte à étoupe, car pour cela elle devrait d'abord entrer dans l'espace annulaire 36 qui, en pratique, est aussi étroit _ que possible et, de là, passer dans les rainures radiales 32 avant d'entrer dans la boîte à étoupe. L'exclusion de la matière dense de la boite à étoupe prévient toute solidification dans cette boîte et permet ainsi un démarrage plus facile de la pompe après arrêt de celle-ci.
Par l'emploi d'un anneau flexible tel que l'an neau de caoutchouc 10 protégeant l'ensemble de la boîte à étoupe et disposé entre le rotor 2 et les parois latérales 4 de la bâche de la pompe, aucune partie métallique de l'arbre ou de son manchon 5 n'est exposée à la matière tourbillonnante passant à travers la pompe et, en particulier, le manchon d'usure 5 est soigneusement protégé contre l'usure et l'effet de cavitation, ce qui augmente beaucoup sa durée de vie.
On obtient aussi une réduction considérable de la quantité de fluide sous pression passant à travers la boite à étoupe, la quantité de fluide requise étant inférieure au sixième de la quantité nécessaire quand le fluide passe plus ou moins librement à travers la boîte à étoupe. Il faut remarquer que, si l'arbre 1 de la pompe ne comporte pas de manchon d'usure 5, la bride 6 est portée directement par l'arbre 1, étant formée, soit par un collier d'une pièce avec l'arbre, soit par un collier fixé sur l'arbre par une clavette ou de toute autre manière.
Il est évident que le dispositif décrit ici dans son emploi avec un arbre de pompe peut être utilisé pour assurer l'étanchéité de l'arbre moteur de tout autre mécanisme rotatif.