Dispositif d'étanchéité
Le brevet principal a pour objet un dispositif d'étanchéité destiné à s'opposer au passage d'un fluide sous pression entre deux éléments dont un se déplace en regard de l'autre, c'est-à-dire comprenant au moins un organe d'étanchéité mobile monté sur l'un des deux éléments de manière à pouvoir se déplacer en direction de l'autre élément, parallèlement à ce dernier, afin de délimiter une fente de faible hauteur déterminée permettant le passage d'une quantité restreinte de fluide sous pression pour empêcher tout contact entre l'organe et l'autre élément, et des moyens d'application d'une force déterminée sur cet organe, opposée et égale à la force résultante due à la pression statique régnant dans cette fente.
Ce dispositif forme donc un joint flottant maintenu en équilibre de manière à former une fente dans laquelle s'établit un coussin de fluide sous pression permettant d'éviter tout frottement mécanique. Le comportement dynamique d'un tel joint flottant produit toutefois des variations momentanées de la hauteur de la fente, provoquant ainsi une variation de la position du point d'action de la force résultante due à la pression statique, d'une part, et de la valeur de cette force, d'autre part. Il en résulte un couple tendant à amener l'organe d'étanchéité dans une position oblique par rapport à l'autre élément délimitant la fente, réduisant ainsi la résistance à l'écoulement à travers cette dernière.
Le dispositif selon la présente invention permet d'obvier à cet inconvénient. Il est caractérisé par le fait que l'organe d'étanchéité mobile est relié rigidement à au moins un organe d'appui prenant appui, au moins indirectement, sur l'autre élément, à l'extérieur de la fente délimitée par celui-ci et l'organe d'étanchéité, et par le fait que les moyens d'application d'une force déterminée sur l'organe d'étanchéité sont agencés de manière que tout déséquilibre entre cette force et la force résultante due à la pression statique régnant dans la fente produise un couple qui agit sur l'organe d'étanchéité et qui, transmis à l'organe d'appui, provoque une réaction d'appui, exercée par l'autre élément, donnant lieu à un couple égal mais de sens opposé destiné à empêcher tout déplacement angulaire de l'organe d'étanchéité par rapport à l'autre élément.
La figure unique du dessin représente, à titre d'exemple, une coupe transversale, verticale d'une forme d'exécution du dispositif faisant l'objet de l'invention.
La figure montre deux dispositifs d'étanchéité agencés dans une ouverture ménagée dans une paroi 1 d'une enceinte 2 contenant un fluide sous pression, en l'occurrence l'air, et destinés à s'opposer à l'échappement de ce fluide vers l'extérieur, de part et d'autre d'une bande mobile 3 se déplaçant longitudinalement à travers cette ouverture suivant un plan médian de cette dernière.
Chaque dispositif comprend un organe d'étanchéité rectiligne 4, 5 à section rectangulaire, s'étendant perpendiculairement au plan du dessin et consistant, en l'occurrence, en une bande en acier inoxydable. Ces organes 4, 5 sont montés en regard de la bande mobile 3, chacun sur deux tuyaux flexibles 6, 7 et 8, 9, respectivement, fixés de manière étanche aux bords respectifs 10, il de l'ouverture. Ces tuyaux flexibles, qui sont constitués, en l'occurrence, par des tuyaux en Téflon (marque déposée), sont fermés à leurs deux extrémités et remplis d'air sous une pression déterminée.
Des bandes flexibles 12, 13 attachées, respectivement, à un support fixe 14, 15 disposé dans l'enceinte 2 et au bord intérieur de chaque organe d'étanchéité 4, 5, permettent de compenser l'effet de la haute pression agissant sur le bord intérieur des organes d'étanchéité.
On obtient ainsi une fixation latérale des organes 4 et 5 afin de les maintenir en regard des bords respectifs 10 et 11 sur lesquels ils sont montés, tout en permettant le déplacement désiré de ces organes en direction de la bande 3.
Les organes 4, 5 sont ainsi montés sur les tuyaux flexibles 6, 7 et S, 9 de manière à pouvoir se déplacer en regard de la bande 3 traversant l'ouverture, ceci afin de ménager chacun une fente 16 et 17, respectivement, de faible hauteur constante h destinée à permettre l'écoulement d'une très faible quantité déterminée d'air sous pression vers l'extérieur de l'enceinte 2.
L'air s'échappant par les fentes 16, 17, exerce une pression statique sur les organes 4, 5 et il se forme ainsi des films d'air, de part et d'autre de la bande mobile 3, servant à éviter tout contact entre les faces 18, 19 de cette bande et les organes 4 et 5 disposés respectivement en regard de ces faces. Les organes d'étanchéité 4, 5 permettent donc une faible fuite d'air de part et d'autre de la bande 3 afin d'éviter tout frottement mécanique lors du déplacement de cette dernière.
L'air traversant les fentes 16, 17 vers l'extérieur est soumis à un laminage important dans ces dernières, de sorte que sa pression statique subit une chute progressive très importante entre l'entrée de chaque fente, située côté enceinte, et sa sortie débouchant à l'extérieur. Les forces résultantes dues à cette pression statique, représentées sur le dessin par les flèches Fp4 et Fp5, tendent à repousser les organes d'étanchéité 4, 5 des faces respectives 18 et 19 de la bande mobile 3, ces forces résultantes étant compensées par des forces de réaction égales FR4 et FR5 respectivement, exercées par les tuyaux flexibles sur les organes 4, 5 y associés.
En l'occurrence, les tuyaux 6, 7 et 8, 9 sont disposés symétriquement par rapport au plan médian, longitudinal des organes d'étanchéité 4 et 5 respectivement, de sorte que les points d'action des résultantes FR4 et FR5 des forces de réaction qu'ils exercent sur les organes respectifs 4, 5 sont situés chacun sur la ligne médiane, longitudinale de ces organes.
Les forces de réaction FR4 et FRS agissent donc sur les organes d'étanchéité 4 et 5 à mi-chemin entre l'entrée et la sortie des fentes respectives tandis que le point d'action des forces résultantes Fp4 et FPs dues à la pression statique se trouve, de par la nature même de la répartition de cette pression le long de la fente, plus proche du côté haute pression, soit de l'entrée, que du côté basse pression, soit de la sortie, de la fente.
Par conséquent, cette disposition correspond toujours à un décalage des forces Fp4, Fp3, vers le côté haute pression, par rapport aux forces de réaction respectives FR4, FRIS. Ce décalage produit, d'une part, un couple M4 agissant toujours dans le même sens, soit le sens des aiguilles d'une montre dans le dessin, sur l'organe 4 et, d'autre part, un couple M5 agissant en sens opposé sur l'organe 5. L'effet de ces couples est discuté plus en détail ci-dessous.
Chaque dispositif d'étanchéité comprend, en outre, une plaque d'appui rectangulaire 20, 21, respectivement, reliée rigidement à l'organe d'étanchéité respectif 4, 5 au moyen d'un bras de levier 22, 23. Ces plaques d'appui 20, 21 s'étendant chacune parallèlement à l'organe 4, 5 auquel elle est reliée et en regard de la face respective 18, 19 de la bande 3 défilant en aval des fentes 16, 17 de manière à pouvoir s'appuyer sur cette bande, par l'intermédiaire d'un film d'air. A cet effet, chaque plaque 20, 21 comprend un passage central 24, 25, respectivement. alimenté en air sous pression provenant d'une source 26, par l'intermédiaire d'un conduit 27, 28 muni d'un diaphragme 29, 30, respectivement.
Les films d'air ainsi formés entre la bande 3 et les plaques d'appui 20, 21 permettent à ces dernières de s'appuyer indirectement sur cette bande, sans aucun contact direct, évitant ainsi tout frottement mécanique lors du déplacement de la bande.
Les dispositifs décrits fonctionnent de la manière suivante:
Les organes d'étanchéité 4, 5 sont maintenus parallèles aux faces respectives 18, 19 de la bande 3, à une faible distance h grâce à l'équilibre des forces et des couples agissant sur ces organes. L'équilibre des forces opposées Fp4 et FR4 d'une part, et Fps et FRS, d'autre part, s'obtient par un choix approprié des forces de réaction FR4, FRs, en fonction de la hauteur h désirée, compte tenu des autres paramètres, soit les dimensions des organes 4, 5 et des pressions régnant de part et d'autre des fentes 16, 17.
Une fois que ces autres paramètres ont été fixés, on peut calculer la répartition de la pression statique le long de la fente pour une hauteur donnée de cette dernière et d'obtenir ainsi la valeur de la force résultante FR4, FR5, respectivement, due à cette pression. Un choix approprié de la pression régnant dans les tuyaux flexibles 6, 7 et 8, 9, et des dimensions de ces tuyaux, permet de donner aux forces de réaction FR4, FRs, exercés par ces tuyaux une valeur égale à la valeur calculée des forces résultantes Fp4, Fp5. L'équilibre des forces agissant de part et d'autre sur les organes d'étanchéité permet donc de maintenir l'écart entre ces organes et la bande mobile 3 à la valeur h.
Toute variation de h, due par exemple à des déplacements transversaux momentanés des faces de la bande 3, provoque en effet, une variation momentanée de la force résultante due à la pression statique Pp4 et Fp5. Il en résulte un déséquilibre des forces agissant sur l'organe d'étanchéité 4, 5 de sorte que cet organe se déplacera immédiatement pour revenir à nouveau à sa position d'équilibre correspondant à l'écart h.
Les couples agissant sur les organes d'étanchéité 4, 5 s'équilibrent en fait d'eux-mêmes grâce à la présence des plaques d'appui 20, 21. Cela s'explique facilement par le fait que le décalage des forces mentionné plus haut est tel que les couples M4, M5 qui en résultent ont toujours le même sens, et cela de manière à appuyer constamment les plaques d'appui 20, 21 contre les faces respectives de la bande mobile 3. Ceci produit des réactions d'appui Fila, FKs, exercées par la bande 3, créant ainsi des couples de même valeur que M4, M5, respectivement, mais de sens opposé. Ces couples agissent sur les organes respectifs, 4, 5, annulant ainsi l'effet des couples M4, M5 sur ces organes.
On voit donc que, grâce à la disposition particulière décrite des forces de réaction exercées par les tuyaux flexibles 6, 7 et 8, 9 sur les organes 4 et 5 y associés les plaques 20 et 21 sont appuyées constamment sur les faces respectives 18, 19 de la bande 3 de manière à pouvoir suivre tout déplacement transversal de cette bande et notamment tout déplacement angulaire de cette dernière. Les réactions d'appui exercées par la bande 3 varieront en fonction des couples M4, M5 de sorte que les couples dus à ces réactions resteront toujours égaux à M4, M5. Cet équilibrage des couples confère aux organes d'étanchéité, 4, 5, un comportement dynamique optimal permettant de maintenir constant l'écart h à la valeur choisie et cela de l'entrée jusqu'à la sortie des fentes 12 et 13.
On assure donc, pour ainsi dire, le parallélisme de ces fentes, car tout couple tendant à amener un organe d'étanchéité dans une position oblique par rapport à la bande est compensé automatiquement. Les fentes présentent ainsi une résistance notable à l'écoulement sur toute leur longueur, d'où une restriction importante des fuites d'air sous pression.
L'organe d'étanchéité, ses moyens de fixation et les moyens d'application d'une force déterminée sur cet organe peuvent évidemment être modifiés par rapport aux dispositifs décrits, tout en obtenant le même résultat.
Ainsi par exemple, l'organe d'étanchéité peut être monté de manière étanche sur l'un des éléments par tout moyen approprié permettant le déplacement transversal désiré vers l'autre élément, tandis que la force de réaction déterminée peut être appliquée sur cet organe par des ressorts tarés ou tout autre moyen équivalent. En outre, le déplacement latéral de l'organe d'étanchéité peut être empêché par d'autres moyens d'arrêt, tels des butées. De même, l'emploi de moyens de fixation flexibles dans le sens du mouvement désiré de l'organe d'étanchéité et suffisamment rigides dans le sens de l'écoulement dans la fente, peut suffire pour empêcher ce déplacement latéral, ce qui permet de supprimer les moyens d'arrêt 12 et 13.
De plus, au lieu d'une plaque d'appui servant à la compensation des couples, on peut évidemment en utiliser plusieurs. Ces plaques peuvent également être prévues de part et d'autre de la fente, de sorte que tout couple, quel que soit son sens, soit équilibré par l'une ou l'autre plaque. La plaque décrite, supportée par un film d'air, peut évidemment aussi être remplacée par tout autre organe d'appui, le cas échéant une roue folle montée sur un axe solidaire de l'organe d'étanchéité, reposant sur l'autre élément délimitant la fente et capable de transmettre les réactions d'appui sans frottement mécanique notable.
Sealing device
The main patent relates to a sealing device intended to oppose the passage of a pressurized fluid between two elements, one of which moves opposite the other, that is to say comprising at least one member. movable seal mounted on one of the two elements so as to be able to move in the direction of the other element, parallel to the latter, in order to delimit a slot of determined low height allowing the passage of a limited quantity of fluid under pressure to prevent any contact between the member and the other element, and means for applying a determined force to this member, opposite and equal to the resulting force due to the static pressure prevailing in this slot.
This device therefore forms a floating seal maintained in equilibrium so as to form a slot in which a pressurized fluid cushion is established, making it possible to avoid any mechanical friction. The dynamic behavior of such a floating joint, however, produces momentary variations in the height of the slot, thus causing a variation in the position of the point of action of the resulting force due to the static pressure, on the one hand, and the value of this force, on the other hand. This results in a torque tending to bring the seal member to an oblique position relative to the other member defining the slot, thereby reducing the resistance to flow through the latter.
The device according to the present invention overcomes this drawback. It is characterized by the fact that the movable sealing member is rigidly connected to at least one bearing member bearing, at least indirectly, on the other element, outside the slot delimited by the latter. and the sealing member, and by the fact that the means for applying a determined force on the sealing member are arranged so that any imbalance between this force and the resulting force due to the static pressure prevailing in the slot produces a torque which acts on the sealing member and which, transmitted to the support member, causes a bearing reaction, exerted by the other element, giving rise to an equal but meaningful torque opposite intended to prevent any angular displacement of the sealing member relative to the other element.
The single figure of the drawing represents, by way of example, a transverse, vertical section of an embodiment of the device forming the subject of the invention.
The figure shows two sealing devices arranged in an opening formed in a wall 1 of an enclosure 2 containing a pressurized fluid, in this case air, and intended to oppose the escape of this fluid towards the outside, on either side of a movable strip 3 moving longitudinally through this opening along a median plane of the latter.
Each device comprises a rectilinear sealing member 4, 5 of rectangular section, extending perpendicular to the plane of the drawing and consisting, in this case, of a strip of stainless steel. These members 4, 5 are mounted opposite the movable strip 3, each on two flexible pipes 6, 7 and 8, 9, respectively, fixed in a sealed manner to the respective edges 10, he of the opening. These flexible pipes, which in this case consist of Teflon pipes (registered trademark), are closed at their two ends and filled with air at a determined pressure.
Flexible strips 12, 13 attached, respectively, to a fixed support 14, 15 arranged in the enclosure 2 and to the inner edge of each sealing member 4, 5, make it possible to compensate for the effect of the high pressure acting on the inner edge of sealing members.
A lateral fixing of the members 4 and 5 is thus obtained in order to keep them facing the respective edges 10 and 11 on which they are mounted, while allowing the desired movement of these members in the direction of the strip 3.
The members 4, 5 are thus mounted on the flexible pipes 6, 7 and S, 9 so as to be able to move opposite the strip 3 passing through the opening, in order to each provide a slot 16 and 17, respectively, of low constant height h intended to allow the flow of a very small determined quantity of pressurized air to the outside of the enclosure 2.
The air escaping through the slots 16, 17, exerts a static pressure on the members 4, 5 and it thus forms air films, on either side of the mobile band 3, serving to prevent any contact between the faces 18, 19 of this strip and the members 4 and 5 arranged respectively opposite these faces. The sealing members 4, 5 therefore allow low air leakage on either side of the strip 3 in order to avoid any mechanical friction during the movement of the latter.
The air passing through the slots 16, 17 to the outside is subjected to significant rolling in the latter, so that its static pressure undergoes a very large progressive drop between the inlet of each slot, located on the enclosure side, and its outlet. leading to the outside. The resulting forces due to this static pressure, represented in the drawing by the arrows Fp4 and Fp5, tend to push back the sealing members 4, 5 of the respective faces 18 and 19 of the mobile strip 3, these resulting forces being compensated by equal reaction forces FR4 and FR5 respectively, exerted by the flexible pipes on the members 4, 5 associated therewith.
In this case, the pipes 6, 7 and 8, 9 are arranged symmetrically with respect to the median, longitudinal plane of the sealing members 4 and 5 respectively, so that the points of action of the resultants FR4 and FR5 of the forces of reaction which they exert on the respective organs 4, 5 are each located on the median, longitudinal line of these organs.
The reaction forces FR4 and FRS therefore act on the sealing members 4 and 5 halfway between the inlet and the outlet of the respective slots while the point of action of the resulting forces Fp4 and FPs due to the static pressure is found, by the very nature of the distribution of this pressure along the slot, closer to the high pressure side, either the inlet, than the low pressure side, or the outlet, of the slot.
Consequently, this arrangement always corresponds to an offset of the forces Fp4, Fp3, towards the high pressure side, with respect to the respective reaction forces FR4, FRIS. This shift produces, on the one hand, a torque M4 always acting in the same direction, i.e. clockwise in the drawing, on the member 4 and, on the other hand, a torque M5 acting in the same direction. opposite on organ 5. The effect of these pairs is discussed in more detail below.
Each sealing device further comprises a rectangular support plate 20, 21, respectively, rigidly connected to the respective sealing member 4, 5 by means of a lever arm 22, 23. These plates d 'support 20, 21 each extending parallel to the member 4, 5 to which it is connected and facing the respective face 18, 19 of the strip 3 running downstream of the slots 16, 17 so as to be able to rest on this strip, via an air film. For this purpose, each plate 20, 21 comprises a central passage 24, 25, respectively. supplied with pressurized air from a source 26, via a duct 27, 28 provided with a diaphragm 29, 30, respectively.
The air films thus formed between the strip 3 and the support plates 20, 21 allow the latter to rest indirectly on this strip, without any direct contact, thus avoiding any mechanical friction during movement of the strip.
The devices described operate as follows:
The sealing members 4, 5 are kept parallel to the respective faces 18, 19 of the strip 3, at a small distance h thanks to the balance of forces and torques acting on these members. The balance of the opposing forces Fp4 and FR4 on the one hand, and Fps and FRS, on the other hand, is obtained by an appropriate choice of the reaction forces FR4, FRs, as a function of the desired height h, taking into account the other parameters, namely the dimensions of the members 4, 5 and of the pressures prevailing on either side of the slots 16, 17.
Once these other parameters have been fixed, one can calculate the distribution of the static pressure along the slot for a given height of the latter and thus obtain the value of the resulting force FR4, FR5, respectively, due to this pressure. An appropriate choice of the pressure prevailing in the flexible pipes 6, 7 and 8, 9, and of the dimensions of these pipes, makes it possible to give the reaction forces FR4, FRs, exerted by these pipes a value equal to the calculated value of the forces resulting Fp4, Fp5. The balance of forces acting on either side of the sealing members therefore makes it possible to maintain the distance between these members and the movable band 3 at the value h.
Any variation of h, due for example to momentary transverse displacements of the faces of the strip 3, in fact causes a momentary variation of the resulting force due to the static pressure Pp4 and Fp5. This results in an imbalance of the forces acting on the sealing member 4, 5 so that this member will move immediately to return again to its position of equilibrium corresponding to the difference h.
The torques acting on the sealing members 4, 5 are in fact self-balancing thanks to the presence of the support plates 20, 21. This is easily explained by the fact that the shift of the forces mentioned above top is such that the pairs M4, M5 which result therefrom always have the same direction, and this in such a way as to constantly press the bearing plates 20, 21 against the respective faces of the mobile band 3. This produces bearing reactions Fila, FKs, exerted by band 3, thus creating couples of the same value as M4, M5, respectively, but in opposite directions. These couples act on the respective organs, 4, 5, thus canceling the effect of the couples M4, M5 on these organs.
It can therefore be seen that, thanks to the particular arrangement described, of the reaction forces exerted by the flexible pipes 6, 7 and 8, 9 on the members 4 and 5 associated therewith, the plates 20 and 21 are constantly pressed on the respective faces 18, 19 of the strip 3 so as to be able to follow any transverse displacement of this strip and in particular any angular displacement of the latter. The support reactions exerted by the band 3 will vary as a function of the torques M4, M5 so that the torques due to these reactions will always remain equal to M4, M5. This balancing of the torques gives the sealing members, 4, 5, optimal dynamic behavior making it possible to keep the deviation h constant at the selected value, from the inlet to the outlet of the slots 12 and 13.
The parallelism of these slots is therefore ensured, so to speak, because any torque tending to bring a sealing member into an oblique position with respect to the strip is automatically compensated. The slots thus exhibit a notable resistance to flow over their entire length, hence a significant restriction of leaks of pressurized air.
The sealing member, its fixing means and the means for applying a determined force to this member can obviously be modified with respect to the devices described, while obtaining the same result.
Thus, for example, the sealing member can be mounted in a sealed manner on one of the elements by any suitable means allowing the desired transverse displacement towards the other element, while the determined reaction force can be applied to this member. by calibrated springs or any other equivalent means. In addition, the lateral displacement of the sealing member can be prevented by other stop means, such as stops. Likewise, the use of flexible fixing means in the direction of the desired movement of the sealing member and sufficiently rigid in the direction of flow in the slot, may be sufficient to prevent this lateral displacement, which makes it possible to remove the stopping means 12 and 13.
In addition, instead of a support plate serving to compensate the torques, it is obviously possible to use several. These plates can also be provided on either side of the slot, so that any torque, whatever its direction, is balanced by one or the other plate. The plate described, supported by a film of air, can obviously also be replaced by any other support member, if necessary a idler wheel mounted on an axis integral with the sealing member, resting on the other element. delimiting the slot and capable of transmitting support reactions without significant mechanical friction.