FR2602847A1 - Systeme d'etancheite pour arbre tournant dans un element support - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN SYSTEME D'ETANCHEITE POUR ARBRE TOURNANT DANS UN ELEMENT SUPPORT. LE SYSTEME D'ETANCHEITE COMPREND POUR UN ARBRE TOURNANT 1 DANS UN ELEMENT SUPPORT 2, L'ARBRE TOURNANT ETANT MUNI DE BAGUES D'ETANCHEITE 3, 4, UN SEGMENT D'ETANCHEITE 5, CELUI-CI AYANT POUR EFFET D'ASSURER UNE REGULATION DE JEU J1, J2, ENTRE LE SEGMENT D'ETANCHEITE 5 ET LES BAGUES 3, 4 PAR RAPPORT A UNE POSITION MOYENNE. APPLICATION AU JOINT D'ETANCHEITE POUR ARBRE TOURNANT DE TURBINE OU ANALOGUE.
Description
La présente invention est relative à un système d t étanchéité pour arbre tournant dans un élé- ment support.
Le problème de l'étanchéité d'un arbre tournant dans un élément suppor , lui-même fixe ou même animé d'un mouvement de ration selon un même axe de rotation que l'arbre tournant, apparait dans le domaine de la construction mécanique pour la plupart des domaines d'application ou d'utilisation.
En particulier, les turbines à gaz modernes, telles que représentées en coupe partielle en figure la, destinées aux avions commerciaux ou militaires,comprennent au moins deux arbres rotors, un arbre intérieur 1 et un arbre extérieur 2 tournants concentriques.
L'un des arbres est dit arbre HP haute pression et l'autre est dit arbre BP basse pression.
Ces deux arbres peuvent tourner dans le même sens, leur vitesse relative étant égale à la différence de leur vitesse propre, soit en sens contraire, leur vitesse relative étant égale à la somme de leur vitesse propre.
Ces arbres sont supportés par des paliers à roulements lubrifiés par une circulation d'huile.
Il est en conséquence nécessaire d'isoler ces enceintes d'huile des enceintes air ou gaz chauds environnants, et donc d'assurer l'étanchéité, de façon à limiter les réintroductions d'air dans les paliers. Cette étanchéité est obtenue soit par l'utilisation de labyrinthes ou de joints inter-arbres à segment au carbone. Cette dernière solution est de plus en plus utilisée, lorsque l'on cherche à optimaliser les performances de la turbine.
Les joints inter-arbres à segment au carbone les plus courants comprennent un segment au carbone fendu 5 compris entre deux bagues 3, 4 et en contact, de par sa force élastique, sur l'arbre extérieur 2 et s'appuyant sur 1 bague 4 solidaire de l'arbre intérieur 7, ainsi que représenté en détail en figure fb.
Ce contact est maintenu en fonctionnement grâce au champ de pression agissant en amont du joint, la pression du gaz étant normalement supérieure à la pression de l'huile. Le joint est conçu de façon que l'effort de contact sur la bague d'appui soit,en fonctionnement,supérieur à l'effort nécessaire pour déplacer le segment 5 au carbone par rapport à l'arbre extérieur. Ceci permet, sans perte de contact, d'accepter des déplacements axiaux relatifs des deux arbres sous l'effet, notamment, des régimes thermiques lors des transitoires de fonctionnement.
Dans les joints d'étanchéité à segment au carbone de type classique, l'étanchéité inter-arbre est donc obtenue par le contact segment au carbone 5 sur la bague d'appui 4 en mouvement de rotation à la vitesse relative des deux arbres. Ce contact avec frottement engendre donc un échauffement. Lorsque la puissance dissipée devient trop importante, il est nécessaire de prévoir la dissipation de celle-ci par une circulation d'huile au travers de la bague d'appui 4 par exemple.
Ce type classique de joint d'étanchéité interarbre présente deux inconvénients majeurs, ceuxci ne pouvant être utilisés ni dans les zones où il n'est pas possible de mettre en place un système d'évacuation de la puissance thermique dissipée, ni aux très grandes vitesses de rotation pour des diamètres d'arbre importants où le cXamp de pression axial ne suffit pas à vaincre l'effort du segment sur l'arbre extérieur 2, la force centrifuge exercée sur celuici étant prépondérante.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités par la mise en oeuvre d'un système d'étanchéité pour arbre tournant dans lequel la dissipation thermique par frottement est sensiblement supprimée ou au moins très fortement réduite.
Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un système d'étanchéité pour arbre tournant susceptible d'être utilisé à grande vitesse de rotation de ce dernier.
Un autre objet de la présente invention est en outre la mise en oeuvre d'un système d'étanchéité pour arbre tournant susceptible d'être utilisé avec des arbres tournants de diamètre important.
Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un système d'étanchéité pour arbre tournant dans un élément support, l'élément support étant lui-mEme fixe ou animé d'un mouvement de rotation par rapport à l'axe de l'arbre tournant.
Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un système d'étanchéité pour arbre tournant permettant d'assurer l'étanchéité entre deux milieux fluides de nature analogue ou différente gaz/gaz ou gaz/liquide.
Un autre objet de la présente invention est enfin la mise en oeuvre d'un système d'étanchéité pour arbre tournant réversible, c'est-à-dire susceptible de fonctionner de manière satisfaisante quel que soit le signe de l'écart de pression entre les milieux ambiants séparés par le système d'étanchéité objet de l'invention.
Le système d'étanchéité pour arbre tournant dans un élément support objet de l'invention comprend un segment d'étanchéité disposé entre des bagues d'étanchéité disposées sur l'arbre tournant pour assurer l'étanchéité par rapport à l'élément support.
Il est remarquable en ce que les bagues d'étanchéité et le segment d'étanchéité sont conformés de façon à constituer un joint hydrodynamique. Le joint hydrodynamique a pour effet d'assurer une régulation du jeu entre le segment d'étanchéité et les bagues par rapport à une position moyenne.
L'invention trouve application à la réalisation de joints d'étanchéité d'arbres tournants par rapport à un support fixe ou mobile en rotation par rapport à l'axe de rotation de l'arbre tournant et notamment d'arbres tournants de turbines à gaz d'avions ou autres installations industrielles.
Elle sera mieux comprise à la lecture de la descriptionet à l'observation des dessins ci-après dans lesquels les mêmes références représentent les mêmes éléments et où, outre les figures la et lb relatives à l'art antérieur,
- la figure 2a représente, en coupe longitudinale, un système d'étanchéité pour arbre tournant dans un élément support,
- la figure 2b représente, selon une vue latérale de la figure 2a, un détail de réalisation des bagues d'étanchéité conformément à la présente invention,
- la figure 3 représente un diagramme de l'effort hydrodynamique exercé par le segment d'étanchéité et la bague d'étanchéité en vis-à-vis de celuici, conformément à la présente invention,
- la figure 4a représente en coupe longitudinale, un système d'étanchéité pour arbre tournant dans un arbre support selon un mode de réalisation avantageux non limitatif,
- la figure 4b représente, selon une vue latérale de la figure 4a, un détail de réalisation des bagues d'étanchéité conformément à l'objet de l'invention, formant un patin de Rayleigh,
- la figure 4c représente une vue selon une coupe AA de la figure 4b et le profil de pression correspondant au niveau des cavités formant un patin de Rayleigh,
- la figure 5 représente, en coupe longitudinale, une variante de réalisation d'un segment d'étanchéité selon l'invention,
- la figure 6 représente, en perspective un mode de réalisation avantageux d'un segment d'étanchéité conformément à l'objet de la présente invention.
- la figure 2a représente, en coupe longitudinale, un système d'étanchéité pour arbre tournant dans un élément support,
- la figure 2b représente, selon une vue latérale de la figure 2a, un détail de réalisation des bagues d'étanchéité conformément à la présente invention,
- la figure 3 représente un diagramme de l'effort hydrodynamique exercé par le segment d'étanchéité et la bague d'étanchéité en vis-à-vis de celuici, conformément à la présente invention,
- la figure 4a représente en coupe longitudinale, un système d'étanchéité pour arbre tournant dans un arbre support selon un mode de réalisation avantageux non limitatif,
- la figure 4b représente, selon une vue latérale de la figure 4a, un détail de réalisation des bagues d'étanchéité conformément à l'objet de l'invention, formant un patin de Rayleigh,
- la figure 4c représente une vue selon une coupe AA de la figure 4b et le profil de pression correspondant au niveau des cavités formant un patin de Rayleigh,
- la figure 5 représente, en coupe longitudinale, une variante de réalisation d'un segment d'étanchéité selon l'invention,
- la figure 6 représente, en perspective un mode de réalisation avantageux d'un segment d'étanchéité conformément à l'objet de la présente invention.
Le système d'étanchéité pour arbre tournant objet de l'invention, sera tout d'abord décrit en liai son avec les figures 2a et 2b.
Dans la description ci-après le système d'étanchéité pour arbre tournant dans un élément support sera décrit, de manière non limitative,dans le cas de 1 'arbre rotatif intérieur 1 et de arbre rotatif extérieur 2 d'une turbine à gaz utilisée comme propulseur d'un avion. Bien entendu, on comprendra que le système d'étnchéité pour arbre tournant, objet de l'invention peut également être monté dans un élément support 2 fixe, l'utilisation du système d'étanchéité pour arbre tournant objet de l'invention n'é- tant pas limitée aux turbines à gaz, mais pouvant faire l'objet d'applications dans tout domaine d'industrie.
Selon la figure 2a, le système d'étanchéité pour arbre tournant dans un élément support 2 conf or- n;ément à l'invention, est tel que l'arbre tournant 1 est muni de bagues d'étanchéité 3,4 entre lesquelles un segment d'étanchéité 5 est prévu pour assurer l'étanchéité par rapport à l'élément support 2.
Conformément à une caractéristique avantageuse du système d'étanchéité objet de l'invention, les bagues d'étanchéité 3,4 et le segment d'étanchéité 5 sont conformés de façon à constituer un joint hydrodynamique. Le joint hydrodynamique a pour effet d'assurer une régulation de jeu, jeu noté J1, J2 sur la figure 2a,entre le segment d'étanchéité 5 et les bagues 3,4 par rapport à une position moyenne.
Notamment, dans le cas où l'élément support 2 est également mobile en rotation par rapport à un même axe de rotation a que l'arbre tournant 1, chacun d'eux constituant par exemple l'arbre tournant extérieur et l'arbre tournant intérieur d'une turbine, le segment d'étanchéité 5 est entraîné en rotation par rapport à l'arbre tournant extérieur 2.
Il présente en outre,en fonctionnement, un degré de liberté ou glissement axial par rapport à celui-ci.
Selon une caractéristique avantageuse du système d'étanchéité pour arbre tournant objet de l'invention, les bagues d'étanchéité 3,4 forment,visà-vis du segment d'étanconité 5, une butée spiralée ou un patin de Rayleigh.
Selon le premier mode de réalisation dans lequel les bagues d'étanchéité 3,4 forment des butées spiralées, celles-ci créent entre chacune des bagues d'étanchéité 3,4 et le segment d'étanchéitd 5des efforts hydrodynamiques.
Ainsi qu'on le remarquera en figure 2b, les spirales sont de préférence aménagées dans les bagues d'étanchéité formant bagues de friction, réalisées dans un matériau plus dur que le segment d'étancheité,
celui-ci pouvant être constitué par un segment au carbone. De cette manière, les bagues d'étanchéité 3,4 formant bagues de friction sont moins sujettes à usure en cas de contact lors des transitoires, ce qui permet d'assurer la longévité des bagues d'étanchéité en particulier lorsque celles-ci sont configurées de façon à assurer l'effet hydrodynamique.
celui-ci pouvant être constitué par un segment au carbone. De cette manière, les bagues d'étanchéité 3,4 formant bagues de friction sont moins sujettes à usure en cas de contact lors des transitoires, ce qui permet d'assurer la longévité des bagues d'étanchéité en particulier lorsque celles-ci sont configurées de façon à assurer l'effet hydrodynamique.
Les spirales sont disposées de façon à ce que les forces hydrodynamiques créées de part et d'autre du segment d'étanchéité 5 soient opposées.
Ces forces hydrodynamiques sont fonction des jeux
J1, J2 tels que représentés en figure 2a, entre le segment d'étanchéité 5 et des bagues d'étanchéité 3, 4. Ces forces hydrodynamiques deviennent très importantes lorsque le jeu se trouve réduit.
J1, J2 tels que représentés en figure 2a, entre le segment d'étanchéité 5 et des bagues d'étanchéité 3, 4. Ces forces hydrodynamiques deviennent très importantes lorsque le jeu se trouve réduit.
Sur la figure 3, on a représenté un diagramme de la force hydrodynamique développée F en fonction du jeu de séparation J1, J2, entre le segment d'étanchéité 5 et la bague d'étanchéité 3, 4 correspondante.
Ainsi, compte tenu de la direction opposée des forces hydrodynamiques développées par le segment d'étanchéité et par chacune des bagues d'étanchéité 3,4, le segment d'étanchéité 5 se positionne entre les bagues d'étanc;éité 3, 4, de façon que les forces auxquelles il estsoumis soient égales et opposées.Les forces appliquées au segment d'étanchéité 5 vérifient ainsi la relation
F HI = FH2 + A FR avec F Hi : force hydrodynamique développée du côté de la
pression PT,
FH2 : force hydrodynamique développée du côté de la
pression P2, F R : effort radial centrifuge essentiellement exercé
sur le segment d'étanchéité 5, : : coefficient de frottement du segment d'étanchéi-
té 5 par rapport à l'arbre extérieur 2.
F HI = FH2 + A FR avec F Hi : force hydrodynamique développée du côté de la
pression PT,
FH2 : force hydrodynamique développée du côté de la
pression P2, F R : effort radial centrifuge essentiellement exercé
sur le segment d'étanchéité 5, : : coefficient de frottement du segment d'étanchéi-
té 5 par rapport à l'arbre extérieur 2.
En cas de déplacement axial relatif des deux arbres 1 et 2, l'un des jeux J1 ou J2 se trouve réduit ce qui augmente l'effort hydrodynamique correspondant et agit sur le segment d'étanchéité 5 en provoquant un glissement de celui-ci. sur l'arbre extérieur 2, jusqu'à ce que l'équilibre des forces soit rétabli.
Ainsi quelle que soit la position axiale relative des deux arbres, arbre intérieur 7, arbre extérieur 2, le segment d'étanchéité 5 se trouve en position médiane, sensiblement par rapport aux deux bagues d'étanchéité 3 et 4.
On comprendra que le système tel que décrit notamment en figure 2a, permet ainsi un auto-centrage du segment d'étanchéité 5, le système pouvant,dans la direction axiale parallèle xi l'axe de rotation ,être considéré sensiblement comte réalisant une suspension sensiblement élastique du segment d'étanchéité 5, dans la direction axiale par rapport aux bagues d'étanchéité 3 et 4, les caractéristiques d'effort hydrodynamique appliqué aux segments d'étanchéité 5 dans cette direction, étant cependant non linéaires, ainsi qu'on peut le constater sur la figure 3.
En vue d'assurer la régulation du jeu J1,J2, entre le segment d'étanchéité 5 et les bagues d'étanchéité 3,4, à une position moyenne correspondant sensiblement à l'égalité des jeux J1,J2 entre le segment d'étanchéité et chacune des faces internes des bagues d'étanchéité 3,4, celles-ci sont sensiblement symétriques par rapport à un plan médian,noté P, de leur distance d'espacement. Sur la figure 2a, le plan médian
P est représenté en trait mixte. En outre, et afin d'obtenir le même effet de régulation du jeu J1, J2, le segment d'étanchéité 5 est symétrique sensiblement par rapport à un plan médian transversal Q, représenté en trait pointillé sur la figure 2a. On notera que sur la figure précitée, les plans P et Q sont représentés confondus, cette situation correspondant à un régime d'équilibre particulier du système en fonctionnement permanent. L'ensemble d'étanchéité tel que représenté et décrit en liaison avec la figure 2a étant symétrique. ce type de joint pour arbre tournant peut travailler quel que soit le
sens de la pression où l'écart de pression entre les milieux ambiants P2 et P1 et notamment, dans les con
ditions telles que P1 soit supérieur à P2 ou au con
traire que P2 soit supérieur à PI.
P est représenté en trait mixte. En outre, et afin d'obtenir le même effet de régulation du jeu J1, J2, le segment d'étanchéité 5 est symétrique sensiblement par rapport à un plan médian transversal Q, représenté en trait pointillé sur la figure 2a. On notera que sur la figure précitée, les plans P et Q sont représentés confondus, cette situation correspondant à un régime d'équilibre particulier du système en fonctionnement permanent. L'ensemble d'étanchéité tel que représenté et décrit en liaison avec la figure 2a étant symétrique. ce type de joint pour arbre tournant peut travailler quel que soit le
sens de la pression où l'écart de pression entre les milieux ambiants P2 et P1 et notamment, dans les con
ditions telles que P1 soit supérieur à P2 ou au con
traire que P2 soit supérieur à PI.
Afin d'assurer une meilleure stabilité du
système, et un effet de découplage de l'effet hydro
dynamique, le segment d'étanchéité 5 peut comporter
au voisinage de la périphérie de celui-ci, et sur
chacune des faces en vis-à-vis de la face interne de
la bague d'étanchéité 3,4 correspondante, ainsi que représenté en figure 2a notamment, une gorge périphérique 53, 54 formant zone de découplage hydraulique de
l'effet hydrodynamique par rapport au fluide ambiant
à la pression P2 ou à la pression P1.
système, et un effet de découplage de l'effet hydro
dynamique, le segment d'étanchéité 5 peut comporter
au voisinage de la périphérie de celui-ci, et sur
chacune des faces en vis-à-vis de la face interne de
la bague d'étanchéité 3,4 correspondante, ainsi que représenté en figure 2a notamment, une gorge périphérique 53, 54 formant zone de découplage hydraulique de
l'effet hydrodynamique par rapport au fluide ambiant
à la pression P2 ou à la pression P1.
On a également représenté en figure 2a le diagramme des pressions P2 et PI régnant au voisinage des zones de jeu J2 et J1 dans la direction radiale du système perpendiculaire à l'taxe de rotation a
On notera en particulier que la pression dans la zone de jeu correspondante située à une distance supérieure à 1 par rapport-à l'axe de rotation b est sensiblement égale à P2 ou P1, que cette pression dans une zone de jeu correspondante comprise entre des valeurs de rayon 01 et 2 diminue en raison de la perte de charge créée par l'interstice ménagé entre le segment d'étanchéité 5 et les bagues 3 et 4 au niveau de la zone précédemment citée, cette pression étant sensiblement constante au niveau des gorges périphériques 53,54 formant zone de découplage hydraulique de l'effet hydrodynamique par rapport au fluide ambiant ainsi que précédemment cité. Ainsi, l'étanchéité conformément au système d'étanchéité objet de l'invention tel que représenté en figure 2a est assurée par la perte de charge créée par l'interstice ménagé entre les bagues d'étanchéité 3, 4 et le segment d'étanchéité 5 au niveau des zones de rayon compris entre les valeurs et et 02 représentées sur la figure 2a.
On notera en particulier que la pression dans la zone de jeu correspondante située à une distance supérieure à 1 par rapport-à l'axe de rotation b est sensiblement égale à P2 ou P1, que cette pression dans une zone de jeu correspondante comprise entre des valeurs de rayon 01 et 2 diminue en raison de la perte de charge créée par l'interstice ménagé entre le segment d'étanchéité 5 et les bagues 3 et 4 au niveau de la zone précédemment citée, cette pression étant sensiblement constante au niveau des gorges périphériques 53,54 formant zone de découplage hydraulique de l'effet hydrodynamique par rapport au fluide ambiant ainsi que précédemment cité. Ainsi, l'étanchéité conformément au système d'étanchéité objet de l'invention tel que représenté en figure 2a est assurée par la perte de charge créée par l'interstice ménagé entre les bagues d'étanchéité 3, 4 et le segment d'étanchéité 5 au niveau des zones de rayon compris entre les valeurs et et 02 représentées sur la figure 2a.
En vue d'assure un équilibrage de la pression du fluide ambiant régnant de part et d'autre du segment d'étanchéité 5, après perte de charge provoquée par l'effet de cisaillement sur le fluide au niveau des zones comprises entre les rayons 1 et 2 précités, le segment d'étanchéité 5 peut comprendre une pluralité d'orifices 55 mettant en communication les gorges 53, 54 formant zone de découplage hydraulique.
On notera que sur la figure 2b, la butée spiralée est constituée par des cavités notées 30, ménagées en spirales ainsi que représenté sur cette figure en fonction du sens de rotation. Afin d'assurer une force hydrodynamique de direction opposée, la bague d'étanchéité correspondante, pour un même sens de rotation,peut avantageusement être munie de cavités en forme de spirale sensiblement, dont le sens d'enroulement est opposé à celui représenté en figure 2b. Les bagues d'étanchéité présentent ainsi une configuration antisymétrique par rapport au plan médian P, les efforts hydrodynamiques pouvant ainsi être opposés.
La forme d'exécution des bagues d'étanchéité 3,4 selon une butée spiralée afin d'obtenir l'effet hydrodynamique n'est pas limitée à ce mode de réalisation.
En effet, le même effet hydrodynamique peut avantageusement être également obtenu par une configuration dite à patin de Rayleigh ou par tout autre dispositif équivalent.
Un mode d'exécution particulièrement avantageux des bagues d'étanchéité 3 et 4 présentant une configuration à patin de Rayleigh sera décrit en liai- - son avec les figures 4a, 4b et 4c.
Dans le mode de réalisation précité, les bagues d'étanchéité 3, 4 en vis-àyis du segment d'étanchéité 5 présentent des faces dites faces internes comportant une plur,ité de cavités périphériques notées 30 sur la figure 4b. Ces cavités périphériques 30 sont en communiction par des canaux 31 avec une zone équi-pression évidée notée 32, formant zone de compensation. Ainsi, l'effet hydrodynamique est provoqué entre le segment d'étanchéité 5 et la face interne des bagues d'étanchéité 3 et 4.
Dans lesmodesde réalisation précités,le débit de réintroduction d'air ou de gaz de l'enceinte
P2 vers l'enceinte P1, pour P2 > P1, est contrôlé par le jeu J2 ménagé en fonctionnement entre les zones correspondantes du segment d'étanchéité 5 et de la bague d'étanchéité 3 de rayon compris entre les valeurs radiales 02 et 01 précédemment décrites. Compte tenu du fait qu'il n'y a pas de contact au niveau de l'étanchéité dynamique ainsi créée, ce débit de réintroduction est supérieur à celui obtenu avec une technologie conventionnelle, mais reste cependant tout à fait acceptable.
P2 vers l'enceinte P1, pour P2 > P1, est contrôlé par le jeu J2 ménagé en fonctionnement entre les zones correspondantes du segment d'étanchéité 5 et de la bague d'étanchéité 3 de rayon compris entre les valeurs radiales 02 et 01 précédemment décrites. Compte tenu du fait qu'il n'y a pas de contact au niveau de l'étanchéité dynamique ainsi créée, ce débit de réintroduction est supérieur à celui obtenu avec une technologie conventionnelle, mais reste cependant tout à fait acceptable.
Afin que la valeur des jeux Jî + J2 reste constante en fonctionnement, quelle que soit la température ambiante, il est préférable de réaliser l'entretoise 6 maintenant la distance entre les bagues d'étanchéité 3 et 4 dans un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique aussi proche que possible de celui du segment d'étanchéité 5.
Afin de décousserla fonction étanchéité réalisée au niveau des zones de valeur radiale comprise entre 1 et + 2 ainsi que représenté en figure 2a ou en figure 4a,de la fonction butée par effet hydrodynamique réalisé par les zones comprises entre les valeurs radiales + 3 e- p4 des figures 2a, 4a, des trous d'équilibrage ncés 55, sont percés entre les deux faces du segment d'étanchéité 5, ainsi que représenté sur les figures 2a et 4a.On notera en outre, ainsi que représenté en figure 4a, que les gorges périphériques 53, 54 formant zone de découplage hydraulique de l'effet hydrodyamique par rapport au fluide ambiant, gorge périphérique ménagée dans le segment d'étanchéité 5, sont disposées en vis-à-vis de la zone équi-pression évidée 32 de compensation ménagée dans chacune des bagues d'étanchéité 3,4, lorsque celles-ci sont configurées selon des patins de Rayleigh. La pression dans chaque orifice 55 stéta- blit ainsi à une valeur intermédiaire entre P1 et P2.
fonction du rapport entre la valeur respective des jeux J1 et J2 et la zone de butée précédemment définie travaille ainsi dans des conditions quasi-indépendantes du niveau de pression. L'effet hydrodynamique est ainsi sensiblement découplé de la valeur des pressions ambiantes.
Sur la figure 4c, on a représenté d'une part une coupe selon un plan de coupe A-A de la figure 4b, d'une des bagues 3 ou 4 d'étanchéité configurée selon un patin de Rayleigh, ainsi que le profil de pression correspondant selon la ligne de coupe correspondante.
La pression ainsi développée par effet hydrodynamique permet d'assurer l'effort hydrodynamique tel que représenté en figure 3. Bien entendu, la dimension de l'entretoise 6 permet de déterminer la valeur d'écartement des bagues d'étanchéité 3 et 4 et,pour une dimension axiale donnée du segment d' étanchéité 5, la valeur moyenne es jeux J1 et J2 correspondant en fait au point de f;ctionnement en régime permanent du système. La raideur de celui-ci est alors définie au point considér par la dérivée de la loi a effort hydrodynamique développée en fonction de la valeur de jeu, ainsi que représenté en figure 3.
Dans les modes de réalisation précédemment décrits en liaison avec les figures 2a et 4a notamment, le système d'étanchéité objet de l'invention travaille avec une zone comprise entre le segment d'étanchéité 5 et l'entretoise 6, laquelle travaille en dépression, ce qui peut, dans certaines conditions nuire à la stabilité dynamique de l'ensemble.
Afin de remédier à l'inconvénient précité, le segment d'étanchéité 5 peut, avantageusement, présenter une dimension radiale suffisamment faible par rapport à la dimension correspondante des bagues d'étanchéité 3 et 4 et/ou de la distance inter-arbre t, 2 ou plus précisément de la distance segment 5, entretoise 6, de façon à aménager au niveau de l'intervalle séparant l'arbre interne 1 du segment d'étanchéité 5, une chambre de pression 56.
Dans ce cas, en vue d'assurer l'équilibrage de la pression du fluide ambiant régnant de part et d'autre du segment d'étanchéité 5, les gorges formant zones de découplage 53 et 54 peuvent avantageusement être mises en communication par l'intermédiaire de la chambre de pression 56. A cet effet, le segment d'étanchéité 5 comprend des orifices 57 mettant en communication la chambre de pression 56 et l'une ou l'autre des gorges 53, 54 formant zones de découplage.
Conformément à un aspect du système d'étanchéité pour arbre tournant bjet de l'invention, le joint d'étanchéité 5 est un joint à base de carbone.
Sur la figure 6, on a représenté un joint d'étanchéité 5 spécialement adapté à la mise en oeuvre du système d'étanchéité objet de l'invention. Ainsi qu'il apparaît sur cette figure, le joint d'étanchéité peut être constitué par un anneau fendu, à base de carbone, présentant des gorges périphériques 53, 54, lesquelles sont mises en communication avec la face interne de l'anneau par des orifices 57. Selon une variante de réalisation, les gorges 53, 54 périphériques peuvent être mises en communication par des orifices 55.
Le système d'étanchéité pour arbre tournant dans un élément support objet de l'invention précédemment décrit est remarquable en ce qu'il permet d'assurer l'étanchéité requise, en l'absence pratique de contact mécanique entre le segment d'étanchéité et les bagues d'étanchéité. En conséquence, la puissance thermique dissipée est minime et due au seul effet de la viscosité du gaz à l'interface correspondanteet peut ainsi être aisément évacuéepar simple conduction dans l'arbre ou élément support extérieur 2, sans faire appel à un quelconque circuit de refroidissement. Ainsi, on a pu mettre en oeuvre des systèmes d'étanchéité conformes à l'invention, dans lesquels la puissance dégradée en chaleur pour des arbres tournants de grand diamètre, c'est-à-dire de diamètre compris entre 150 et 200 mm, atteint seulement quelques dizaines de watts.Le gain de puissance dissipé par rapport à des dispositifs comparables de l'art antérieur peut être évalué à un rapport 10.
Le système d'étanchéité pour arbre tournant objet de l'inventic, tel que décrit précédemment, élimine ainsi les inconvénients des joints de l'art antérieur, en ce qu'ils permettent la réalisation de la fonction étanchéité our une puissance dissipée très faible, la force axiale provoquée par effet hydrodynamique en raison de la structure particulière du système d'étanchéité objet de l'invention, permettant des déplacement axiaux des arbres, même dans le cas où ceux-ci présentent de grands diamètres.
En plus des avantages précédemment cités, le système d'étanchéité pour arbre tournant dans un élément support objet de l'invention, présente une durée de vie accrue par rapport au dispositif de l'art antérieur en raison de l'absence de contact entre les faces notamment. il est particulièrement avantageux en ce que le fonctionnement est également bi-directionnel ou réversible, un fonctionnement convenable étant obtenu quelle que soit la valeur relative des pressions des milieux ambiants du système d'étanchéité objet de l'invention. Bien que développé dans l'optique d'un système d'étanchéité fonctionnant pour la séparation de milieux ambiants gaz/gaz, le système d'étanchéité objet de l'invention permet également un fonctionnement dans le cas où les milieux ambiants sont différents, tels que par exemple un gaz et une huile.
Claims (11)
1. Système d'étanchéité pour arbre tournant (1) dans un élément support (2), l'arbre tournant (1) étant muni de bagues d'étanchéité (3,4) entre lesquelles un segment d'étanchéité (5) est prévu pour assurer l'étanchéité par rapport à l'élément support, caractérisé en ce que les bagues d'étanchéité (3,4) et le segment d'étanchéits (5) sont conformés de fa çon à constituer un joint hydrodynamique, ledit joint hydrodynamique ayant pour effet d'assurer une régulation de jeu (J1,J2) entre le segment d'étanchéité (5) et les bagues (3,4) par rapport à une position moyenne.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas où l'élément support (2) est également mobile en rotation par rapport à un même axe de rotation (b ) que l'arbre tournant (1), chacun d'eux (2,1) constituant respectivement un arbre tournant extérieur et un arbre tournant intérieur, ledit segment d'étanchéité (5) est entraîné en rotation par rapport audit arbre tournant extérieur et présente en outre en fonctionnement, un degré de liberté ou glissement axial par rapport à celui-ci.
3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites bagues d'étanchéité (3,4) forment vis-à-vis dudit segment d'étanchéité (5) une butée spiralée ou patin de Rayleigh.
4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les faces des bagues d'étanchéité (3,4) en vis-à-vis du segment d'étanchéité (5), dites faces internes, comportent une pluralité de cavités périphériques (30) en communication (31) avec une zone équipression évidée (32)de compensation, de façon à provoquer l'effet hydrodynamique entre le segment d'étanchéité (5) et la face interne des bagues d'étanchéité (3,4).
5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, en vue d'assurer la régulation du jeu (J1,J2) entre le-segment d'étanchéité (5) et les bagues d'étanchéité (3,4) à une position moyenne correspondant sensiblement à l'égalité des jeux (J1,J2) entre le segment d'étanchéité et chacune des faces internes des targues d'étanchéité, lesdites bagues d'étanchéité (3,4) b nt symétriques par rapport à un plan médian (P) de --ur distance d'espacement, ledit segment d'étanchéité étant symétrique par rapport à un plan médian transversal (Q).
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que en vue d'assurer un effet de découplage de l'effet hydrodynamique, ledit segment d'étanchéité comporte au voisinage de la périphérie de celui-ci et sur chacune des faces en vis-à-vis de la face interne de la bague d'étanchéité (3,4) correspondante une gorge périphérique (53,54) formant zone de découplage hydraulique de l'effet hydrodynamique par rapport au fluide ambiant.
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que, en vue d'assurer un équilibrage de la pression-du fluide ambiant règnant de part et d'autre du segment d'étanchéité (5) celui-ci comprend une pluralité d'orifices (55) mettant en communication lesdites gorges formant zone de découplage.
8. Système selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le segment d'étanchéité (5) présente une dimension radiale suffisamment faible par rapport à la dimension correspondante des bagues d'étanchéité (3,4) et/ou de la distance inter-arbre de façon à ménager au niveau de l'intervalle séparant l'arbre interne (1) du segment d'étanchéité (5) une chambre de pression (56).
9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que en vue d'assurer l'équilibrage de la pression du fluide ambiant régnant de part et d'autre du segment d'étanchéité (5), lesdites gorges formant zone de découplage sont mises en communication par l'intermédiaire de la chambre de pression (56).
10. Système selo:- la revendication 9, caractérisé en ce que ledit segment d'étanchéité (5) comprend des orifices (57) mettant en communication la chambre de pression et l'une ou l'autre des gorges formant zone de découplage.
11. Système selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité est un joint à base de carbone.
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