WO1995010721A1 - Dispositif d'etancheite pour arbre tournant - Google Patents

Dispositif d'etancheite pour arbre tournant Download PDF

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WO1995010721A1
WO1995010721A1 PCT/FR1994/001183 FR9401183W WO9510721A1 WO 1995010721 A1 WO1995010721 A1 WO 1995010721A1 FR 9401183 W FR9401183 W FR 9401183W WO 9510721 A1 WO9510721 A1 WO 9510721A1
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sealing device
shaft
sealing
frame
lip
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Inventor
Jean-Pierre Vaudolon
Original Assignee
Arjo Wiggins Sa
Vaudolon Jean Pierre
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/18—Sealings between relatively-moving surfaces with stuffing-boxes for elastic or plastic packings
    • F16J15/182—Sealings between relatively-moving surfaces with stuffing-boxes for elastic or plastic packings with lubricating, cooling or draining means

Definitions

  • the present invention relates to a sealing device for a rotating shaft and in particular for a rotating pump shaft. More specifically, the present invention relates to a sealing device surrounding the rotating shaft which allows to effectively isolate the pump part proper in which is circulated the liquid passing through the pump and the mechanical drive part in rotation and guiding the pump shaft.
  • a sealing device surrounding the rotating shaft which allows to effectively isolate the pump part proper in which is circulated the liquid passing through the pump and the mechanical drive part in rotation and guiding the pump shaft.
  • a gland which is arranged around the shaft inside a packing box, this sealing being often supplemented by a groove or lantern.
  • a lubricant for the seals.
  • Different types of braids can be used to make the cable gland, in particular braids made of tallow hemp, braids covered with teflon which may be based on hemp or aramid fiber.
  • the introduction of the lubrication liquid is most often done under pressure and may consist in injecting the liquid itself which circulates in the pump.
  • the object of the present invention is to provide a sealing device for a rotating shaft and in particular a pump which makes it possible to avoid the drawbacks mentioned above by increasing the life of the sealing device and by simplifying the corresponding maintenance operations. when changing the sealing device.
  • the rotating shaft sealing device comprising a frame surrounding said shaft, said sealing device being disposed between said shaft and said frame is characterized in that it comprises: a protective sleeve surrounding said shaft and secured at least in translation and in rotation of said shaft; a sealing grain surrounding said socket and integral in translation with said frame; and sealing means surrounding said socket and integral with said frame which comprise: a lantern with an annular groove integral with the frame and connected to a source of lubrication liquid,
  • the fact that the seal between the grain and the lubrication groove is ensured by lip sealing rings makes it possible, on the one hand, to improve the seal in particular between the pump and the lubrication liquid and, on the other hand, to simplify maintenance operations since these lip sealing rings have a very long service life, these rings being arranged in the area where the press braids stuffing solutions of the prior art were actually inaccessible due to the presence of the lantern comprising the groove for injecting lubrication liquid.
  • the protective sleeve is made of steel and is coated with a protective layer comprising 50 to 70% of the filler metal and 30 to 50% of binder.
  • Such a composition of the protective layer ensures high mechanical resistance of the external face of the sleeve while having great ease of implementation.
  • - Figure 1 is a longitudinal sectional view of a conventional type pump; and - Figure 2 is a longitudinal half-section of the sealing device according to the invention.
  • FIG. 1 we will describe the general structure of a pump on which can be mounted the sealing device for rotating shaft.
  • This pump comprises a volute 10 with its inlet pipe 12 and its outlet pipe 14.
  • the scroll 10 is extended by a pump body 16 in which the rotating shaft 18 is mounted.
  • On the first end 20 of the shaft is mounted the rotor 22 of the pump which is of course disposed inside the volute 10 and the second end 24 of the shaft is connected to a motor, not shown in the figure.
  • the shaft 18 is guided in rotation by two bearings 26 and 28 fitted in a known manner with suitable ball bearings.
  • the shaft or more precisely the rotor 20 is cantilevered with respect to the bearings 26 and 28. It is understood that it is necessary to provide a seal between the interior of the volute 10 in which the fluid circulates to put into circulation and the mechanical part for guiding in rotation of the shaft 18, this part being essentially constituted by the sets of bearings 26 and 28.
  • FIG 1 there is shown schematically the sealing means 30 which are of course arranged between the volute 10 and the first bearing 28.
  • the sealing device In this figure, there is voluntarily shown very schematically the sealing device.
  • this essentially comprises a packing box 32 which is integral with the pump body 16 and which surrounds the shaft 18 to serve to maintain the sealing means 30 proper.
  • FIG. 2 a sealing device 30 mounted inside the packing box 32 will be described in more detail.
  • the shaft 18 is covered with a bushing. protection 40 which extends over at least the entire part of the shaft opposite the sealing device.
  • the embodiment of the socket 40 will be described later in more detail. It suffices to know that the sleeve 40 is slidably fitted on the external face of the shaft 18.
  • the packing box 32 has an internal counterbore 42 in which are engaged around the shaft 18 the various elements constituting the sealing device 30. If one moves along the shaft 18 from its end 20 carrying the rotor 22 towards its part engaged in the bearing 28, there is successively inside the counterbore 42 a bottom grain 44, two annular elastomeric sealing rings 46 and 48, an annular lantern 50 defining a annular groove 52 for the introduction of a lubrication liquid from the sealing device, and a plurality of packing braids 44, the assembly being kept compressed in the counterbore 42 by a gland 56. As best shown in the In FIG. 1, the gland 56 is held in place and tightened by screws such as 58.
  • the background grain 44 is of the conventional type. It is made of bronze or incidentally ofPolon and essentially constitutes an interchangeable wearing part. It thus avoids, particularly in the event of vibrations, wear on the shaft or the packing box 32.
  • the clearance e between the external face of the bush 40 and the internal face of the backbone 44 is very small, for example of the order of 0.2 mm, in order to reduce the specific pressure of the liquid pumped on the sealing device itself.
  • the elastomeric sealing rings 46 and 48 are therefore disposed between the lubrication lantern 52 and the bottom grain 44. These two sealing rings are of the lip type and therefore comprise a fixing body 58 in contact with the bottom counterbore 42 and a deformable lip 60. The lips 60 are curved in the direction of the grain bottom 44 so that, under the effect of the pressure, the lips 60 tend to be applied against the shaft 18.
  • the nature of the elastomer used to produce the rings 46 and 48 depends on the fluids conveyed by the pump or on the lubrication fluid. It is possible to provide rings 46 and 48 in which an annular spring is embedded in the lip 60 to increase the contact pressure between the lip and the external face of the shaft.
  • the sealing rings can be made with the material sold under the brand VITON.
  • the lantern 50 can be of the conventional type. It thus defines an annular groove for supplying lubrication liquid, has an inlet orifice 50 connected to a source of lubrication liquid and it preferably has opposite an outlet orifice for lubrication liquid not shown in FIG. 2 This evacuation orifice makes it possible to avoid any risk of overpressure of the lubrication liquid in this zone and therefore any risk of passage of the lubrication liquid towards the volute of the pump.
  • braids 54 of cable gland there are several braids 54 of cable gland.
  • the number of braids depends on the tightness that one wishes to achieve.
  • the packing braids are preferably based on aramid fibers coated with Teflon.
  • this arrangement ensures a very effective seal between the pump itself and the mechanical members for guiding the shaft while allowing easy maintenance of the entire pump.
  • the packing braids 54 after disassembly of the gland 56, can easily be extracted from the packing box by any suitable means since access is free.
  • the sealing means arranged beyond the lantern 52 and which are therefore not accessible unless major disassembly is carried out the question does not arise since the lip rings 46 and 48 have very high mechanical resistance and do not require frequent replacement.
  • the braids 54 chosen also have a very long lifespan, typically at least of the order of 12 months.
  • the quality of the seal prevents the passage of the pumped liquid to the mechanical part of the pump. This has two main advantages: on the one hand, the mechanical part of the corrosion which would be due to the liquid circulating in the pump; on the other hand, liquid losses are avoided, which can be important when the latter has a high value.
  • the protective sleeve 40 is formed from a steel sleeve which is preferably not made of stainless steel but which may possibly be in certain cases on which a protective coating is produced.
  • this coating has a thickness of approximately 1 mm.
  • a mixture of 60% filler metal, more generally between 50 and 70%, and 40% of binder, more generally from 30 to 50%, is used.
  • the binder allows a reflow to allow deposition and binding of the filler metal to a temperature of about 1200 ° C.
  • the filler material may be chromium carbide, carbide tungsten, etc.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'étanchéité d'arbre tournant, notamment pour arbre de pompe. Le dispositif comprend: une douille (40) de protection entourant ledit arbre et solidaire au moins en translation et en rotation dudit arbre (18); un grain de fond (44) entourant ladite douille et solidaire en translation du bâti; et des moyens d'étanchéité entourant ladite douille et solidaires dudit bâti qui comprennent: une lanterne (50) reliée à une source de liquide de lubrification, au moins une bague annulaire à lèvre d'étanchéité (46, 48) entre ledit grain et ladite gorge annulaire; et au moins une tresse de presse-étoupe (54) disposée au-delà de ladite lanterne par rapport audit grain et des moyens de compression (56) de ladite tresse.

Description

DISPOSITIF D'ETANCHEITE POUR ARBRE TOURNANT
La présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité pour arbre tournant et notamment pour arbre tournant de pompe. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité entourant l'arbre tournant qui permet d'isoler efficacement la partie pompe proprement dite dans laquelle est mis en circulation le liquide traversant la pompe et la partie mécanique d'entraînement en rotation et de guidage de l'arbre de la pompe. On comprend que ce problème est très important, notamment dans les industries papetières où les pompes doivent mettre en circulation des liquides qui peuvent être très corrosifs ou très dommageables pour les parties mécaniques de la pompe et notamment les paliers grâce auxquels l'arbre est monté pivotant à l'intérieur du bâti de la pompe.
Dans les dispositifs connus d'étanchéité d'arbre tournant, on trouve le plus souvent un presse-étoupe qui est disposé autour de l'arbre à l'intérieur d'une boîte de garniture, cette étanchéité étant souvent complétée par une gorge ou lanterne d'introduction d'un liquide de lubrification des garnitures d'étanchéité. On peut utiliser pour réaliser le presse-étoupe différents types de tresses notamment des tresses en chanvre suifé, des tresses recouvertes de téflon qui peuvent être à base de chanvre ou de fibre d'aramide. Par ailleurs, dans les systèmes connus, l'introduction du liquide de lubrification se fait le plus souvent sous pression et peut consister dans l'injection du liquide lui- même qui circule dans la pompe.
On comprend également que, lors de l'utilisation intensive de telle pompe, il est d'une part nécessaire que le dispositif d'étanchéité ait une durée de vie aussi importante que possible afin de réduire la fréquence des interventions qui augmentent la durée d'indisponibilité de la pompe et que, de plus et surtout, les opérations de changement de dispositif d'étanchéité puissent se faire commodément sans que cela entraîne une période d'indisposition de la pompe trop importante.
En outre, pour éviter d'avoir à changer l'arbre lui-même de la pompe, on recouvre le plus souvent la partie de celui-ci disposée en regard du dispositif d'étanchéité d'une douille métallique le plus souvent réalisée en bronze ou en inox. Il s'avère que ces types de douilles présentent l'inconvénient d'être altérés relativement rapidement par l'effet du frottement des dispositifs d'étanchéité, ce qui rend caduque la fonction technique de la douille. La présente invention a pour objet de fournir un dispositif d'étanchéité pour arbre tournant et notamment de pompe qui permette d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus en augmentant la durée de vie du dispositif d'étanchéité et en simplifiant les opérations de maintenance correspondant au changement du dispositif d'étanchéité. Pour atteindre ce but, le dispositif d'étanchéité d'arbre tournant comprenant un bâti entourant ledit arbre, ledit dispositif d'étanchéité étant disposé entre ledit arbre et ledit bâti se caractérise en ce qu'il comprend : une douille de protection entourant ledit arbre et solidaire au moins en translation et en rotation dudit arbre ; un grain d'étanchéité entourant ladite douille et solidaire en translation dudit bâti ; et des moyens d'étanchéité entourant ladite douille et solidaire dudit bâti qui comprennent : - une lanterne avec gorge annulaire solidaire du bâti et reliée à une source de liquide de lubrification,
- au moins une bague annulaire à lèvre d'étanchéité entre ledit grain et ladite gorge annulaire, ladite lèvre coopérant avec la face externe de ladite douille, et au moins une tresse de presse-étoupe disposée au-delà de ladite gorge annulaire par rapport audit grain et des moyens de compression de ladite tresse.
On comprend que, grâce aux dispositions de l'invention, le fait que l'étanchéité entre le grain et la gorge de lubrification soit assurée par des bagues d'étanchéité à lèvre permet, d'une part, d'améliorer l'étanchéité notamment entre la pompe et le liquide de lubrification et, d'autre part, de simplifier les opérations de maintenance puisque ces bagues d'étanchéité à lèvre présentent une durée de vie très importante, ces bagues étant disposées dans la zone où les tresses de presse-étoupe des solutions de l'art antérieur étaient en fait inaccessibles en raison de la présence de la lanterne comportant la gorge d'injection de liquide de lubrification.
Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, la douille de protection est réalisée en acier et est revêtue d'une couche de protection comportant 50 à 70% du métal d'apport et 30 à 50% de liant.
Une telle composition de la couche de protection assure une grande résistance mécanique de la face externe de la douille tout en présentant une grande facilité de mise en oeuvre.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une pompe de type classique ; et - la figure 2 est une demi-coupe longitudinale du dispositif d'étanchéité selon l'invention.
En se référant tout d'abord à la figure 1, on va décrire la structure générale d'une pompe sur laquelle peut être monté le dispositif d'étanchéité pour arbre tournant. Cette pompe comporte une volute 10 avec sa conduite d'entrée 12 et sa conduite de sortie 14. La volute 10 est prolongée par un corps de pompe 16 dans lequel est monté l'arbre tournant 18. Sur la première extrémité 20 de l'arbre est monté le rotor 22 de la pompe qui est bien sûr disposé à l'intérieur de la volute 10 et la deuxième extrémité 24 de l'arbre est reliée à un moteur, non représenté sur la figure. L'arbre 18 est guidé en rotation par deux paliers 26 et 28 équipés de façon connue de roulements à billes convenables. Ainsi, l'arbre ou plus précisément le rotor 20 est en porte-à-faux par rapport aux paliers 26 et 28. On comprend qu'il est nécessaire de réaliser une étanchéité entre l'intérieur de la volute 10 dans laquelle circule le fluide à mettre en circulation et la partie mécanique de guidage en rotation de l'arbre 18, cette partie étant essentiellement constituée par les ensembles de paliers 26 et 28.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement les moyens d'étanchéité 30 qui sont bien sûr disposés entre la volute 10 et le premier palier 28. Sur cette figure, on a représenté volontairement très schématiquement le dispositif d'étanchéité. On comprend cependant que celui-ci comporte essentiellement une boîte de garniture 32 qui est solidaire du corps de pompe 16 et qui entoure l'arbre 18 pour servir à maintenir les moyens d'étanchéité 30 proprement dits.
En se référant maintenant à la figure 2, on va décrire plus en détails un dispositif d'étanchéité 30 monté à l'intérieur de la boîte de garniture 32. Comme le montre cette figure, l'arbre 18 est recouvert d'une douille de protection 40 qui s'étend sur au moins toute la partie de l'arbre en regard du dispositif d'étanchéité. Le mode de réalisation de la douille 40 sera décrit ultérieurement plus en détails. II suffit de savoir que la douille 40 est emmanchée glissante sur la face externe de l'arbre 18.
Comme cela est bien connu, la boîte de garniture 32 comporte un lamage interne 42 dans lequel sont engagés autour de l'arbre 18 les différents éléments constituant le dispositif d'étanchéité 30. Si l'on se déplace le long de l'arbre 18 de son extrémité 20 portant le rotor 22 vers sa partie engagée dans le palier 28, on trouve successivement à l'intérieur du lamage 42 un grain de fond 44, deux bagues annulaires d'étanchéité élastomères 46 et 48, une lanterne annulaire 50 définissant une gorge annulaire 52 pour l'introduction d'une liquide de lubrification du dispositif d'étanchéité, et une pluralité de tresses de presse-étoupe 44, l'ensemble étant maintenu comprimé dans le lamage 42 par un fouloir 56. Comme le montre mieux la figure 1, le fouloir 56 est maintenu en place et serré par des vis telles que 58.
Le grain de fond 44 est de type classique. Il est en bronze ou accessoirement en celoron et constitue essentiellement une pièce d'usure interchangeable. Il permet ainsi d'éviter, en cas notamment de vibrations, l'usure de l'arbre ou de la boîte de garniture 32. De préférence, le jeu e entre la face externe de la douille 40 et la face interne du grain de fond 44 est très réduit, par exemple de l'ordre 0,2 mm, afin de diminuer la pression spécifique du liquide pompé sur le dispositif d'étanchéité proprement dit.
Les bagues annulaires d'étanchéité élastomères 46 et 48 sont donc disposées entre la lanterne de lubrification 52 et le grain de fond 44. Ces deux bagues d'étanchéité sont du type à lèvre et comportent donc un corps de fixation 58 en contact avec le fond du lamage 42 et une lèvre déformable 60. Les lèvres 60 sont incurvées dans la direction du grain de fond 44 afin que, sous l'effet de la pression, les lèvres 60 tendent à être appliquées contre l'arbre 18. La nature de l'élastomère servant à réaliser les bagues 46 et 48 dépend des fluides véhiculés par la pompe ou du liquide de lubrification. Il est possible de prévoir des bagues 46 et 48 dans lequel un ressort annulaire est noyé dans la lèvre 60 pour augmenter la pression de contact entre la lèvre et la face externe de l'arbre. De préférence, les bagues d'étanchéité peuvent être réalisées avec le matériau commercialisé sous la marque VITON.
La lanterne 50 peut être de type classique. Elle définit ainsi une gorge annulaire d'alimentation en liquide de lubrification, comporte un orifice d'entrée 50 relié à une source de liquide de lubrification et elle présente de préférence en regard un orifice de sortie du liquide de lubrification non représenté sur la figure 2. Cet orifice d'évacuation permet d'éviter tout risque de surpression du liquide de lubrification dans cette zone et donc tout risque de passage du liquide de lubrification vers la volute de la pompe.
Au-delà de la lanterne 50, on trouve plusieurs tresses 54 de presse-étoupe. Le nombre de tresses dépend de l'étanchéité qu'on souhaite réaliser. Les tresses de presse-étoupe sont de préférence à base de fibres d'aramide revêtues de téflon.
On comprend que cette disposition permet d'assurer une étanchéité très efficace entre la pompe proprement dite et les organes mécaniques de guidage de l'arbre tout en permettant une maintenance aisée de l'ensemble de la pompe. En effet, on comprend que les tresses de presse-étoupe 54, après démontage du fouloir 56, peuvent aisément être extraites de la boîte de garniture par tout moyen convenable puisque l'accès est libre. En revanche, en ce qui concerne les moyens d'étanchéité disposés au-delà de la lanterne 52 et qui ne sont donc pas accessibles sauf à procéder à des démontages importants, la question ne se pose pas puisque les bagues à lèvres 46 et 48 ont une résistance mécanique très élevée et ne nécessitent pas de remplacement fréquent. Il faut ajouter que les tresses 54 choisies présentent également une durée de vie très élevée, typiquement au moins de l'ordre de 12 mois.
La qualité de l'étanchéité permet d'éviter le passage duliquide pompé vers la partie mécanique de la pompe. Cela présente deux avantages principaux : d'une part, on protège la partie mécanique de la corrosion qui serait due au liquide circulant dans la pompe ; d'autre part on évite les pertes de liquide, ce qui peut être important lorsque celui-ci a une valeur élevée.
Comme on l'a indiqué, de préférence, la douille de protection 40 est constituée à partir d'une douille en acier qui est de préférence non en inox mais qui peut éventuellement l'être dans certains cas sur laquelle on réalise un revêtement de protection en métal d'apport. Selon l'invention, ce revêtement a une épaisseur d'environ 1 mm. Pour réaliser la couche de protection de la douille, on utilise un mélange de 60% de métal d'apport, plus généralement compris entre 50 et 70%, et de 40% de liant, plus généralement de 30 à 50%. Le liant permet une refusion pour permettre le dépôt et la fixation du métal d'apport à une température de l'ordre de 1200*C. De façon connue en soi, le matériau d'apport peut être du carbure de chrome, du carbure de tungstène, etc.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'étanchéité d'arbre tournant comprenant un bâti (30) entourant ledit arbre, ledit dispositif d'étanchéité étant disposé entre ledit arbre (18) et ledit bâti, caractérisé en ce qu'il comprend : une douille (40) de protection entourant ledit arbre et solidaire au moins en translation et en rotation dudit arbre ; un grain de fond (44) entourant ladite douille et solidaire en translation dudit bâti ; et des moyens d'étanchéité entourant ladite douille et solidaires dudit bâti qui comprennent :
- une lanterne (50) avec gorge annulaire (52) solidaire du bâti et reliée à une source de liquide de lubrification,
- au moins une bague annulaire à lèvre d'étanchéité (46, 48) entre ledit grain et ladite gorge annulaire, ladite lèvre coopérant avec la face externe de ladite douille, et au moins une tresse de presse-étoupe (54) disposée au-delà de ladite gorge annulaire par rapport audit grain et des moyens de compression (56) de ladite tresse.
2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux bagues annulaires d'étanchéité à lèvre (46, 48) et une pluralité de tresses de presse-étoupe (56).
3. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite douille (40) de protection est réalisée en acier et est revêtue d'une couche de protection comportant 50 à 70% de métal d'apport et 30 à 50% de liant.
4. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche de revêtement de la douille a une épaisseur de l'ordre de 1 mm.
5. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la lèvre (60) des bagues d'étanchéité est incurvée vers ledit grain de fond (44).
6. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites bagues d'étanchéité sont réalisées en un matériau élastomère.
7. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les tresses de presse-étoupe (54) sont réalisée en fibre d'aramide revêtue de téflon.
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