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.