FR3116875A1 - Ensemble d'étanchéité circonférentiel - Google Patents

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Abstract

Joint radial mécanique amélioré. Le joint inclut un rotor qui, lorsqu'il est en mouvement, pressurise l'air et le dirige vers l'interface entre le rotor et le stator pour donner une portance sur le stator. La pression de fluide générée par la rotation du rotor pousse le stator à l'écart du rotor, ce qui améliore les performances globales du joint. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Ensemble d'étanchéité circonférentiel
RÉFÉRENCE CROISÉE AUX APPLICATIONS CONNEXES
La présente demande revendique le bénéfice de la demande de brevet des États-Unis n° 62/941 620, déposée le 27 novembre 2019, dont l'invention est ici incorporée à titre de référence dans son ensemble.
Ensembles mécaniques d'étanchéité et procédés liés de fabrication de garnitures mécaniques.
CONTEXTE
Une garniture mécanique permet un déplacement relatif entre deux structures tout en maintenant une séparation de fluide à l'interface entre les structures mobiles. Par exemple, un arbre peut s'étendre et tourner par rapport à un logement/garniture fixe. Il peut être souhaitable que le boîtier contienne de l'huile ou de l'air sous pression. Une garniture mécanique peut être positionnée au niveau de l'interface entre l'arbre et le boîtier pour permettre la rotation relative et contenir de l'huile dans le logement. Il existe de nombreuses applications pour les garnitures mécaniques y compris, sans que cette liste soit exhaustive, des unités de puissance auxiliaires, des compresseurs, des turbines à gaz de génération d'énergie, des moteurs d'aéronef, des démarreurs de moteur, des commandes de carburant, des boîtes de vitesses, des accessoires de moteur, des valves nucléaires, des équipements de machine de production, des véhicules non-routiers et des turbocompresseurs.
Les garnitures mécaniques se présentent dans une variété de configurations. Un type de garniture mécanique commune est un joint radial. Les joints radiaux sont couramment utilisés pour permettre à un arbre de tourner par rapport à un logement à partir duquel il s'étend. Il existe de nombreuses configurations différentes de joint radial. Pour augmenter la durée de vie du joint et diminuer la génération de chaleur, certains joints radiaux génèrent un film hydrodynamique entre les composants mobiles. Des ensembles d'étanchéité radiaux utilisant un film hydrodynamique pour prolonger la durée de vie du joint et pour diminuer la génération de chaleur sont décrits dans le brevet US n°7 914 007, qui est incorporé ici dans sa totalité. Le brevet US n°7 914 007 décrit un système générant un film hydrodynamique via un composant d'usure (le stator en graphite de carbone). Ainsi, la génération du film hydrodynamique change au fur et à mesure que le composant s'use, ce qui n'est pas idéal. En outre, le composant d'usure a une géométrie plus complexe que ce qui serait autrement souhaité. Une progression supplémentaire de la technologie en matière de joint, qui prolonge la durée de vie et la performance globale des joints radiaux, est souhaitable.
RÉSUMÉ
La présente invention concerne un joint radial mécanique amélioré. Le joint comporte un patin également couramment désigné rotor. Le rotor est configuré pour générer un film hydrodynamique entre lui-même et le stator. Dans le mode de réalisation représenté, le rotor, lorsqu'il est en mouvement, pressurise le fluide (l’air) et dirige le fluide sous pression vers l'interface entre le rotor et le stator pour conférer une portance au stator. La pression de fluide générée par la rotation du rotor pousse le stator à l'écart du rotor, ce qui améliore les performances globales du joint. Le stator du mode de réalisation représenté est un composant d'étanchéité au carbone segmenté.
Le résumé est destiné à présenter une sélection de concepts sous une forme simplifiée, qui sont décrits ultérieurement ci-après dans la description détaillée. Ce résumé n'est pas destiné à identifier des caractéristiques clés ou des caractéristiques essentielles de l'objet revendiqué, et il n'est pas destiné à être utilisé pour limiter la portée des objets revendiqués.
Les dessins suivants illustrent des modes de réalisation particuliers de la présente invention et ne limitent donc pas sa portée. Les dessins ne sont pas à l'échelle et sont destinés à être utilisés conjointement avec les explications de la description détaillée qui suit. Des modes de réalisation de la présente invention seront décrits ci-après en liaison avec les dessins annexés, dans lesquels des numéros similaires désignent des éléments similaires.
est une vue isométrique d'un mode de réalisation de l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel ;
est une vue en coupe partielle de l'ensemble d'étanchéité de la ;
est une vue schématique de variantes de réalisation de l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel ;
Les figures 4A - 4C sont des vues en coupe partielle de l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel de la avec le rotor dans différentes positions par rapport au stator ;
est une vue isométrique du rotor de l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel de la ;
est une coupe radiale partielle du rotor de la ;
est une coupe axiale partielle du rotor de la ; et
est une coupe axiale partielle du rotor de la .
Des caractères de référence correspondants indiquent des parties correspondantes dans l'ensemble des différentes vues. Les exemples décrits ci-dessus illustrent des modes de réalisation de l'invention, et de tels exemples de réalisation ne doivent en aucune manière être considérés comme limitant le cadre de l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Différents modes de réalisation seront décrits en détails en référence aux dessins. La référence à différents modes de réalisation ne limite pas la portée des revendications annexées. De plus, tous les exemples exposés dans cette description ne sont pas destinés à être limitatifs et exposent simplement certains des nombreux modes de réalisation possibles pour les revendications annexées.
Des références dans la description à « un mode de réalisation », « un mode de réalisation illustratif », etc., indiquent que le mode de réalisation décrit peut inclure une fonction, structure ou caractéristique particulière, mais que chaque mode de réalisation peut nécessairement inclure ou non ladite fonction, structure ou caractéristique particulière. De plus, de telles phrases ne se réfèrent pas nécessairement au même mode de réalisation. En outre, lorsqu'une fonction, une structure ou une caractéristique particulière est décrite en relation avec un mode de réalisation, on suppose que l'homme de l'art sait comment modifier cette fonction, structure ou caractéristique en relation avec d'autres modes de réalisation, qu'ils soient explicitement décrits ou non. En outre, il convient d'apprécier que des éléments inclus dans une liste sous la forme de « au moins A, B, et C » peuvent signifier (A) ; (B) ; (C) ; (A et B) ; (A et C) ; (B et C) ; ou (A, B, et C). De même, les éléments listés sous la forme de « au moins un de A, B ou C » peuvent signifier (A) ; (B) ; (C) ; (A et B) ; (A et C) ; (B et C) ; ou (A, B, et C).
Sur les dessins, certaines caractéristiques structurelles ou de procédé peuvent être représentées dans des agencements et/ou des ordres spécifiques. Toutefois, il faut noter que de tels agencements et/ou ordres spécifiques peuvent ne pas être nécessaires. Au contraire, dans certains modes de réalisation, de telles caractéristiques peuvent être agencées d'une manière différente et/ou dans un ordre différent de ce qui est représenté sur les figures illustratives. Par ailleurs, l'inclusion d'une caractéristique structurelle ou de procédé sur une figure particulière n'implique pas que cette caractéristique soit requise dans tous les modes de réalisation et, dans certains modes de réalisation, elle peut ne pas être incluse ou être combinée à d'autres caractéristiques.
En se référant généralement aux figures, des modes de réalisation de l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel de la présente invention seront décrits plus en détails. Dans le mode de réalisation représenté, l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel 10 inclut un logement de joint 12 qui inclut une partie de paroi d'extrémité s'étendant radialement 14 et une partie de paroi cylindrique s'étendant axialement 16. Dans le mode de réalisation représenté, la partie de paroi d'extrémité s'étendant radialement 14 inclut une partie de surface intérieure usinée 18. Voir . Il faut noter que de nombreuses configurations alternatives du logement de joint sont possibles.
Dans le mode de réalisation représenté, l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel 10 inclut un élément d'étanchéité de stator 20. Dans le mode de réalisation représenté, l'élément d'étanchéité de stator 20 est un anneau en carbone segmenté. L'élément d'étanchéité de stator 20 inclut une première extrémité 22 et une deuxième extrémité 24. L'élément d'étanchéité de stator 20 est positionné de sorte que la première extrémité 22 vient en butée contre la partie de surface intérieure usinée 18 de la partie de paroi d'extrémité s'étendant radialement 14 du logement de joint 12.
Dans le mode de réalisation représenté, l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel 10 inclut une bague annulaire d'extrémité 26. Dans le mode de réalisation représenté, l'élément d'étanchéité de stator 20 est positionné entre la première partie de paroi d'extrémité 14 du logement de joint 12 et la bague annulaire d'extrémité 26. Dans le mode de réalisation représenté, un ressort 28 est positionné entre l'élément d'étanchéité de stator 20 et la bague annulaire d'extrémité 26. Le ressort 28 est agencé et configuré pour solliciter la première extrémité 22 de l'élément d'étanchéité de stator 20 contre la partie de surface intérieure usinée 18 du logement de joint 12. Dans le mode de réalisation représenté, le ressort 28 est un ressort métallique (par exemple un ressort hélicoïdal). Le ressort 28 dans le mode de réalisation représenté est partiellement reçu dans l'évidement de l'élément d'étanchéité du stator. Dans le mode de réalisation représenté, l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel 10 inclut un élément de retenue annulaire 42 qui est logé dans une rainure 44 dans une surface intérieure de la partie de paroi cylindrique s'étendant axialement 16 du logement de joint 12. Dans le mode de réalisation représenté, l'élément de retenue annulaire 42 est positionné de manière adjacente à la bague annulaire d'extrémité 26 et retient la bague annulaire d'extrémité 26 dans le logement de joint 12. Il faut noter que de nombreuses configurations alternatives sont possibles.
Dans le mode de réalisation représenté, l'ensemble d'étanchéité segmenté circonférentiel 10 inclut un rotor annulaire 30 disposé de manière concentrique avec l'élément d'étanchéité de stator 20. Le rotor annulaire 30 inclut une première partie d'extrémité 32 et une partie de paroi cylindrique extérieure 34 s'étendant axialement dans une première direction FD depuis la première partie d'extrémité 32 et une partie de paroi cylindrique interne opposée 36 s'étendant radialement dans la première direction FD depuis la première partie d'extrémité 32. Dans le mode de réalisation représenté, le rotor annulaire 30 présente une section en forme de C. Dans une variante de réalisation, le rotor annulaire 30 peut présenter d'autres formes en coupe transversale. Par exemple, la représente un rotor annulaire 30 de section transversale en forme de H. Dans le mode de réalisation représenté, le rotor annulaire 30 présente une structure métallique. Il faut noter que de nombreuses configurations alternatives sont possibles.
Dans le mode de réalisation représenté, l'ensemble d'étanchéité périphérique segmenté 10 inclut un ressort circonférentiel 38 positionné radialement autour de l'élément d'étanchéité de stator 20 configuré pour appliquer une charge radiale sur l'élément d'étanchéité de stator 20 afin de solliciter l'élément d'étanchéité de stator 20 contre la partie de paroi cylindrique extérieure 34 du rotor annulaire 30. Il faut noter que de nombreuses configurations alternatives sont possibles.
Dans le mode de réalisation représenté, la partie de paroi cylindrique extérieure 34 du rotor annulaire 30 inclut une pluralité d'ouvertures traversantes 40 configurées pour générer une augmentation de la pression d'air à l'interface entre l'élément d'étanchéité de stator 20 et le rotor annulaire 30 lorsque le rotor annulaire 30 tourne. Dans le mode de réalisation représenté, les ouvertures traversantes 40 dans la partie de paroi cylindrique extérieure 34 du rotor annulaire 30 incluent une pluralité de fentes. Bien que dans le mode de réalisation représenté, toutes les ouvertures traversantes 40 soient en forme de fente, il convient de noter que dans des modes de réalisation alternatifs, les ouvertures traversantes 40 peuvent ne pas être des fentes. Par exemple, les ouvertures traversantes 40 pourraient être des orifices traversants ronds ou tout autre type d'ouverture. En outre, une turbine peut être incorporée pour générer un écoulement supplémentaire visant à améliorer les performances.
Dans le mode de réalisation représenté, en référence à la , au moins certaines des fentes présentent un angle de fente SA qui est incliné par rapport à la direction radiale RD. Dans le mode de réalisation représenté, certaines des fentes 46, 48, 52 présentent des sections transversales asymétriques dans un plan radial. Dans le mode de réalisation représenté, au moins certaines des fentes 46, 48, 52 présentent des sections transversales en forme de coin dans un plan radial. Dans le mode de réalisation représenté, certaines des fentes 46, 48, 52 présentent une ouverture intérieure 52, 54, 56 sur la surface intérieure 58 de la partie de paroi cylindrique extérieure 34, et une ouverture extérieure 60, 62, 64 sur la surface extérieure 66 de la partie de paroi cylindrique 34. Dans le mode de réalisation représenté, l'ouverture intérieure 52, 54, 56 est au moins cinquante pour cent plus grande que l'ouverture extérieure 60, 62, 64. Il faut noter que de nombreuses configurations alternatives sont possibles. Les fentes peuvent, par exemple, être asymétriques et ne pas être en forme de coin.
Dans le mode de réalisation représenté, les fentes 46, 48, 50 sont uniformément espacées sur la partie de paroi cylindrique extérieure 34 du rotor annulaire 30. Dans les modes de réalisation représentés, les fentes 46, 48, 50 sont parallèles entre elles et alignées axialement. Il faut noter que de nombreuses configurations alternatives sont possibles.
Dans le mode de réalisation représenté, l'ouverture extérieure 60, 62, 64 de la fente 46, 48, 50 inclut une première partie d'extrémité 68, une partie médiane 70, et une deuxième partie d'extrémité 72. Dans le mode de réalisation représenté, la première partie d'extrémité 68 et la partie médiane 70 sont radialement alignées avec l'élément d'étanchéité de stator 20, et la deuxième partie d'extrémité 72 est décalée par rapport à l'élément d'étanchéité de stator 20 dans la première direction FD. En variante, la première partie d'extrémité 68, la partie médiane 70 et la deuxième partie d'extrémité 72 peuvent toutes être alignées radialement avec l'élément d'étanchéité de stator 20. Il faut noter que de nombreuses configurations alternatives sont possibles.
Les différents modes de réalisation décrits ci-dessus sont fournis à titre illustratif et ne doivent pas être considérés comme limitant les revendications annexées. L'homme du métier reconnait aisément divers modifications et changements qui peuvent être apportés sans suivre les exemples de réalisation et d’applications illustrés et décrits ici, et sans sortir de l'esprit et de la portée réels des revendications qui suivent.
Bien que la présente invention ait été décrite en référence à des moyens, des matériaux et des modes de réalisation particuliers, à partir de la description qui précède, l'homme du métier peut facilement connaître les caractéristiques essentielles de la présente invention et divers changements et modifications peuvent être apportés pour adapter les différentes utilisations et caractéristiques sans sortir de l'esprit et de la portée de la présente invention telle qu'exposée dans les revendications qui suivent.

Claims (20)

  1. Ensemble de joint radial comprenant :
    un logement de joint incluant une partie de paroi d'extrémité s'étendant radialement et une partie de paroi cylindrique s'étendant axialement, la partie de paroi d'extrémité s'étendant radialement incluant une partie de surface intérieure usinée ;
    un élément d'étanchéité de stator incluant une première extrémité et une deuxième extrémité, l'élément d'étanchéité de stator étant positionné de sorte que la première extrémité vient en butée contre la partie de surface intérieure usinée de la partie de paroi d'extrémité s'étendant radialement du logement de joint ;
    une bague annulaire d'extrémité, dans lequel l'élément d'étanchéité de stator est positionné entre la première partie de paroi d'extrémité du logement de joint et la bague annulaire d'extrémité ;
    un ressort positionné entre l'élément d'étanchéité de stator et la bague annulaire d'extrémité et conçu pour solliciter la première extrémité de l'élément d'étanchéité de stator contre la partie de surface intérieure usinée du logement de joint ;
    un rotor annulaire disposé de manière concentrique avec l'élément d'étanchéité de stator, dans lequel le rotor annulaire inclut une première partie d'extrémité et une partie de paroi cylindrique extérieure s'étendant axialement dans une première direction à partir de la première partie d'extrémité et une partie de paroi cylindrique intérieure opposée s'étendant radialement dans la première direction depuis la première partie d'extrémité ;
    un élément circonférentiel positionné radialement autour de l'élément d'étanchéité de stator configuré pour appliquer une charge radiale sur l'élément d'étanchéité de stator afin de solliciter l'élément d'étanchéité de stator contre la partie de paroi cylindrique extérieure du rotor annulaire ;
    dans lequel la partie de paroi cylindrique extérieure du rotor annulaire inclut une pluralité d'ouvertures traversantes configurées pour générer une augmentation de la pression d'air à l'interface entre l'élément d'étanchéité de stator et le rotor annulaire lorsque le rotor annulaire tourne.
  2. Ensemble de joint radial selon la revendication 1, dans lequel l'élément d'étanchéité de stator est un anneau en carbone segmenté.
  3. Ensemble de joint radial selon la revendication 1, dans lequel les ouvertures traversantes dans la partie de paroi cylindrique extérieure du rotor annulaire incluent une pluralité de fentes.
  4. Ensemble de joint radial selon la revendication 3, dans lequel au moins certaines des fentes sont inclinées par rapport à la direction radiale.
  5. Ensemble de joint radial selon la revendication 4, dans lequel au moins certaines des fentes présentent des coupes transversales asymétriques dans un plan radial.
  6. Ensemble de joint radial selon la revendication 4, dans lequel au moins certaines des fentes présentent une ouverture intérieure sur la surface intérieure de la partie de paroi cylindrique extérieure et une ouverture extérieure sur la surface extérieure de la partie de paroi cylindrique, dans lequel l'ouverture intérieure est cinquante pour cent plus grande que l'ouverture extérieure, ou plus.
  7. Ensemble de joint radial selon la revendication 4, dans lequel au moins certaines des fentes présentent des sections transversales en forme de coin dans un plan radial.
  8. Ensemble de joint radial selon la revendication 4, dans lequel les fentes sont uniformément espacées sur la partie de paroi cylindrique extérieure du rotor annulaire.
  9. Ensemble de joint radial selon la revendication 1, dans lequel le rotor annulaire présente une coupe transversale en forme de H.
  10. Ensemble de joint radial selon la revendication 1, dans lequel le rotor annulaire présente une coupe transversale en forme de c.
  11. Ensemble de joint radial selon la revendication 2, dans lequel le rotor annulaire présente une structure métallique.
  12. Ensemble de joint radial selon la revendication 1, dans lequel le ressort positionné entre l'élément d'étanchéité de stator est un ressort hélicoïdal métallique.
  13. Ensemble de joint radial selon la revendication 1, dans lequel au moins certaines des fentes présentent une ouverture intérieure sur la surface intérieure de la partie de paroi cylindrique extérieure et une ouverture extérieure sur la surface extérieure de la partie de paroi cylindrique, dans lequel l'ouverture extérieure de la fente inclut une première partie d'extrémité, une partie médiane, et une deuxième partie d'extrémité, dans lequel la première partie d'extrémité et la partie médiane sont alignées radialement avec l'élément d'étanchéité de stator, et la deuxième partie d'extrémité est décalée par rapport à l'élément d'étanchéité de stator dans la première direction.
  14. Ensemble de joint radial selon la revendication 1, dans lequel au moins certaines des fentes présentent une ouverture intérieure sur la surface intérieure de la partie de paroi cylindrique extérieure et une ouverture extérieure sur la surface extérieure de la partie de paroi cylindrique, dans lequel l'ouverture extérieure de la fente inclut une première partie d'extrémité, une partie médiane et une deuxième partie d'extrémité, dans lequel la première partie d'extrémité, la partie médiane et la deuxième partie d'extrémité sont alignées radialement avec l'élément d'étanchéité de stator.
  15. Ensemble de joint radial selon la revendication 1, comprenant en outre un élément de retenue annulaire, qui est logé dans la rainure dans une surface intérieure de la partie de paroi cylindrique s'étendant axialement du logement de joint, l'élément de retenue annulaire étant positionné de manière adjacente à la bague d'extrémité annulaire.
  16. Ensemble de joint radial selon la revendication 4, dans lequel les fentes sont parallèles les unes aux autres et alignées axialement.
  17. Ensemble de joint radial selon la revendication 1, dans lequel les ouvertures traversantes dans la partie de paroi cylindrique extérieure du rotor annulaire incluent une pluralité de trous traversants ronds.
  18. Ensemble de joint radial comprenant :
    un logement de joint incluant une partie de paroi d'extrémité s'étendant radialement et une partie de paroi cylindrique s'étendant axialement, la partie de paroi d'extrémité s'étendant radialement incluant une partie de surface intérieure usinée ;
    un anneau en carbone segmenté incluant une première extrémité et une deuxième extrémité, l'anneau en carbone segmenté étant positionné de telle sorte que la première extrémité vient en butée contre la partie de surface intérieure usinée de la partie de paroi d'extrémité s'étendant radialement du logement de joint ;
    une bague annulaire d'extrémité, dans lequel l'anneau en carbone segmenté est positionné entre la première partie de paroi d'extrémité du logement de joint et la bague annulaire d'extrémité ;
    un rotor métallique annulaire disposé de manière concentrique avec l'anneau en carbone segmenté, dans lequel le rotor annulaire inclut une première partie d'extrémité et une partie de paroi cylindrique extérieure s'étendant axialement dans une première direction à partir de la première partie d'extrémité et une partie de paroi cylindrique intérieure opposée s'étendant radialement dans la première direction depuis la première partie d'extrémité ;
    un ressort hélicoïdal métallique positionné entre l'anneau en carbone segmenté et la bague annulaire d'extrémité et conçu pour solliciter la première extrémité de l'anneau en carbone segmenté contre la partie de surface intérieure usinée du logement de joint ;
    un élément circonférentiel positionné radialement autour de l'anneau en carbone segmenté configuré pour appliquer une charge radiale sur l'anneau en carbone segmenté afin de solliciter l'anneau en carbone segmenté contre la partie de paroi cylindrique extérieure du rotor annulaire ;
    dans lequel la partie de paroi cylindrique extérieure du rotor annulaire inclut une pluralité de fentes traversantes configurées pour générer une augmentation de la pression d'air à l'interface entre l'anneau en carbone segmenté et le rotor annulaire lorsque le rotor annulaire tourne ;
    dans lequel les fentes sont inclinées par rapport à la direction radiale ;
    dans lequel les fentes présentent des sections transversales en forme de coin asymétriques dans un plan radial ;
    dans lequel les fentes présentent une ouverture intérieure sur la surface intérieure de la partie de paroi cylindrique extérieure et une ouverture extérieure sur la surface extérieure de la partie de paroi cylindrique, l'ouverture intérieure étant au moins cinquante pour cent plus grande que l'ouverture extérieure ;
    dans lequel les ouvertures extérieures des fentes sont uniformément espacées sur la partie de paroi cylindrique extérieure du rotor annulaire ;
    dans lequel au moins certaines des ouvertures extérieures des fentes incluent une première partie d'extrémité, une partie médiane, et une deuxième partie d'extrémité, dans lequel au moins la première partie d'extrémité et la partie médiane sont radialement alignées avec l'anneau en carbone segmenté ;
    dans lequel les ouvertures extérieures d'au moins certaines des fentes sont parallèles l'une à l'autre et alignées axialement.
  19. Ensemble de joint radial selon la revendication 18, dans lequel la deuxième partie d'extrémité d'au moins certaines des fentes est décalée par rapport à l'anneau en carbone segmenté dans la première direction.
  20. Ensemble de joint radial selon la revendication 18, dans lequel l'élément circonférentiel est un ressort.
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