Garniture à régulation de fuite La présente invention a pour objet une garniture à régulation de fuite pour machines tournantes, notam ment pompes et compresseurs.
Ces garnitures comportent, d'une part, un grain fixe et, d'autre part, un grain mobile, entraîné en rota tion par l'arbre. Pour qu'un joint tournant fonctionne correctement, il est nécessaire qu'il existe entre les faces des grains une pellicule de liquide évitant la détérioration des faces de ces grains. Par suite des variations de pression qui peuvent se produire et des pressions très élevées utilisées actuellement, il est nécessaire de maintenir la valeur de cette pellicule et par suite de cette fuite de manière qu'elle reste sensi blement constante et à une valeur aussi réduite que possible compatible avec un fonctionnement correct.
Dans ce but, on a proposé différentes solutions qui apparaissent plus spécialement sur les fig. 1 et 2 du dessin annexé.
Sur ces figures, un arbre tournant 1 sur lequel flotte un grain fixe 2, entraîne en rotation un grain mobile 3 qui est monté d'une manière étanche sur l'arbre par l'intermédiaire d'un joint 4. Le grain fixe 2 est flottant sur le support correspondant 5 grâce à un joint d'étanchéité 6. Sur ces figures, le jeu entre les grains est considérablement exagéré pour faciliter la compréhension de l'exposé.
La fig. 1 illustre une solu tion classique dans laquelle on obtient une fuite déter minée par laminage de la pression dans un jeu 7, entre le grain. fixe. 2 et une partie de la face correspondante du grain mobile 3, partie qui s'étend jusqu'à la valeur du diamètre D d'équilibrage, c'est-à-dire le diamètre intérieur de la face extérieure du grain mobile sur laquelle s'exerce la pression de refoulement de la pompe. Au delà de ce diamètre, la face du grain mobile est décrochée de manière que le jeu en 8 soit plus important que le jeu en 7.
La zone de jeu 8 peut être considérée comme zone d'injection du fluide sous pression et il se produit un équilibrage. Cependant, du fait de l'usure inévitable entre les faces dans la zone-7, il en résulte une modifi- cation de la valeur du jeu 8, de sorte que l'équilibrage initialement prévu est modifié progressivement dans le temps.
Dans une autre réalisation connue illustrée par la fig. 2, on fait arriver la pression, par des perforations 9 de faible diamètre, ou bien par plusieurs rainures radiales, dans une gorge 10 située sensiblement au dia mètre d'équilibrage D. L'usure qui se produit ne change rien à l'équilibrage, mais celui-ci est vite com promis du fait de l'érosion rapide de ces perforations et des colmatages et obturations partielles ou totales des perforations 9.
D'autre part, si la section des per forations 9 ou des rainures radiales débouchant dans la gorge 10 est suffisamment grande pour ne pas être influencée par l'usure ou les obturations par des impu retés, il s'établit dans la gorge 10 une pression prati quement égale à la pression de refoulement de la pompe:
il se produit dans ces conditions une chute de pression très rapide entre cette gorge et la sortie de l'intervalle 7 de sorte que l'équilibrage des pressions et la commande des fuites deviennent difficiles, raison pour laquelle dans certains dispositifs connus on prévoit des dispositifs de rattrapage de jeu assez com pliqués et coûteux agissant sur la position axiale du grain fixe par rapport au grain tournant.
On a examiné ci-dessus le cas d'une garniture com portant un grain tournant et coulissant disposé en amont (c'est-à-dire côté haute-pression) et un grain fixe en rotation et immobilisé axialement en aval (c'est-à-dire côté basse pression), mais les, mêmes observations s'appliquent au cas d'une garniture com prenant un grain fixe en rotation et coulissant axiale- ment, monté en amont, et un grain tournant immobi lisé axialement, monté en aval,
un passage pour le liquide étant ménagé dans ce cas entre l'arbre et la sur face intérieure du grain fixe en rotation. Dans ce cas la pression de la pellicule de liquide formée par la fuite à travers l'intervalle entre les deux grains est équilibrée par la pression exercée par le liquide pompé sur la face située côté- haute pression du grain fixa en rotation et coulissant axialement. Dans ce cas,
la surface exté rieure du grain fixe en rotation est guidée en déplace ment axial avec interposition d'un joint d'étanchéité coulissant dans un alésage de la partie fixe de la machine et le diamètre de cette surface extérieure du grain fixe en rotation correspond au diamètre d'équili brage.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients exposés ci-dessus. La garniture à régula tion de fuite selon l'invention comprenant un grain soli daire en rotation à l'arbre et un grain fixe en rotation, l'un de ces grains, qui est disposé en amont, étant mobile axialement et un joint d'étanchéité coulissant étant interposé entre une surface cylindrique au grain amont du grain mobile axialement, caractérisé par le tandis que sa surface cylindrique opposée laisse un passage au liquide pompé qui pénètre dans l'intervalle entre les deux grains,
formant un chemin de fuite du liquide donnant lieu à l'établissement, entre les faces en regard des deux grains, d'une pellicule de liquide de protection, la pression régnant entre ces deux faces du grain équilibrant l'action du liquide pompé sur la face amont du grain mobile axialement, caractérisé par le fait que l'une au moins des faces en regard des deux grains présente au moins une rainure spirale d'aEmen- tation s'étendant depuis le bord périphérique, commu niquant avec la haute pression, de l'intervalle entre les deux grains,
vers au moins une rainure d'injection ménagée au voisinage du diamètre de la surface cylin drique du grain amont qui est munie d'un joint d'étan chéité coulissant.
Plusieurs formes d'exécution de l'object de l'inven tion et des variantes seront décrites, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, dans lequel: La fig. 3 est une vue partielle, en coupe, d'une pre mière forme de réalisation; La fig. 4 est une vue en plan de la face active du grain tournant; La fig.5 est une vue correspondante d'une variante; La fi-. 6 est une vue partielle, en coupe, d'une seconde forme de réalisation; La fi-. 7 est une vue en plan de la face active du grain fixe; La fig. 8 est une variante; et La fig.9 illustre le diagramme de fonctionnement de ces garnitures.
Aux fig. 3 et 4, le grain tournant 3 présente, sur sa face active, une rainure spirale d'alimentation 11 qui s'étend du bord marginal extérieur 12, soumis à la pres sion, vers une gorge circulaire d'injection 13 ménagée au diamètre D d'équilibrage. La fig.5 illustre une variante dans laquelle la gorge 13 est remplacée par des alvéoles 13A, chaque alvéole étant alimenté par une rainure d'alimentation 11A.
La fig.6 illustre une autre forme de réalisation dans laquelle le grain 2, dénommé grain fixe, est monté non seulement flottant comme dans les autres réalisations, mais également coulissant sur le support fixe 5 par l'intermédiaire d'un joint torique d'étan chéité 14. Le grain tournant 3 n'est plus monté coulis sant sur l'arbre 1, mais il est bloqué sur celui-ci par un écrou 15.
Dans cette réalisation, le grain 2 soumis à la pression P, la fuite étant indiquée par la flèche F, porte la gorge d'injection 13B alimentée par la rainure 11B qui s'étent de cette gorge 13B vers la bord mar ginal intérieur 12B soumis à la pression P. La gorge d'injection 13B est située au diamètre d'équilibrage D. La fig. 8 montre une variante dans laquelle, comme dans la fig.5, la gorge d'injection est remplacée par des alvéoles 13C alimentés par des rainures 11C.
Le fonctionnement de la garniture décrite est le suivant: Pour une pression à étancher donnée d'un fluide de viscosité et de densité constante, la résultante des forces s'exerçant sur le grain est nulle pour un jeu déterminé entre faces. En effet, ces forces, d'ordre hydrostatique, sont: 1. Une force de répulsion tendant à écarter les deux faces dont la valeur dépend de la répartition des pressions sur toute la face. Cette répartition de pres sion, qui affecte une symétrie de révolution par rapport à l'axe de l'arbre, dépend de la pression dans la gorge d'injection. Pour un profil et un tracé donnés de la rai nure d'alimentation, la pression d'injection ne dépend que du jeu entre les faces.
2. Une force d'équilibrage opposée à la précédente qui provient de l'action de la pression de refoulement de la pompe sur la face externe du grain tournant, la valeur de cette force ne dépendant que du diamètre d'équilibrage. Pour certaines plages de valeurs des dia mètres d'équilibrage et d'injection, le système est stable. En effet, si le système fonctionne avec un jeu entre faces donné, une perturbation extérieure tend à modifier ce jeu. Si ce jeu augmente, la pression dans la gorge d'injection diminue et la force de répulsion diminue. Comme la force d'équilibrage n'est pas modi fiée, le système revient à son jeu initial. Inversement, si ce jeu diminue, la pression dans la rainure d'injec tion augmente et la force de répulsion augmente.
Comme la force d'équilibrage n'est pas modifiée, le système revient à son jeu initial.
La fig. 9 représente la répartition des pressions P entre les faces pour différentes valeurs du jeu.
En effet, le jeu de fonctionnement se situe entre le jeu presque nul et le jeu très élevé. Pour un jeu presque nul, le débit de fuite est très faible et la perte de charge de la rainure est minimum. Pratiquement, la pression dans la gorge d'injection est égale à la pres sion statique de refoulement de la pompe et la chute de pression se produit entre les points K et L. Le gra dient moyen de la chute de pression est maximum. Inversement pour un jeu très élevé, le débit de fuite de la rainure est très faible devant le débit entre faces. Une partie de la chute de pression se fait entre J et K. La valeur moyenne de la chute de pression est minimum.
La courbe en traits mixtes correspond à un jeu réduit au minimum possible entre les faces des grains du joint tournant. La courbe en tirets illustre la valeur des pressions pour un jeu très élevé et la courbe en trait plein correspond à un jeu normal de fonctionne ment.
Le diagramme a été établi en supposant la haute pression P agissant sur le diamètre extérieur du grain. La longueur développée de la rainure peut être augmentée à une valeur permettant l'usinage d'un profil de dimensions suffisantes pour: - être usiné avec des moyens classiques, - ne pas nécessiter de tolérances d'usinage très serrées, - être peu sensible à l'encrassement ou à l'érosion, - être peu sensible au colmatage, - être peu sensible à l'usure des faces. De plus, les faces des grains sont nettoyées auto matiquement en cas d'introduction de particules étran gères grâce à la rainure spirale d'alimentation.
De façon à ne pas perturber la symétrie de révolu tion de récoulement, la section et le tracé de; la rainure sont définis par la famille de courbe telle que pour un débit constant circulant dans la rainure, la perte de charge d'une portion de la courbe limitée entre le dia mètre haute pression et un diamètre quelconque soit proportionnelle à la perte de charge due au laminage entre les faces à débit constant entre les deux mêmes diamètres.