Modification du système d'étanchéité d'un compresseur centrifuge par un système à garniture sèche.

IV.3 CALCUL DES GARNITURES MECANIQUES

IV.3.1.Garniture mécanique hydraulique `oil seal' (avec contact)

IV.3.1.a. Description

Lorsque le niveau d'étanchéité doit être parfait comme c'est le cas pour les hydrocarbures, les labyrinthes ne sont plus suffisants et l'on installe en plus des garnitures mécaniques

d'étanchéité hydraulique nécessitant un circuit d'huile.

(JUTES
SEPARATION
LnSYRINTH

Rotor

Carte

Bague de fixation Stator

7 Arbre joints secondaires

OUTER INNER

SEAL LaarR NTN

RING

7¹W1

Q. FLQ9v11-11.pVGN .S^. RING OIL FILM SPA&

Figure IV.7 : Garniture mécanique hydraulique.

Très utilisées dans l'étanchéité des pompes ou des machines tournantes en générale les garnitures mécaniques sont de type et de caractéristiques très différentes en fonction des paramètres du fluide à étancher.

Pour fonctionner correctement, une garniture d'étanchéité doit être refroidie et alimentée en permanence par un liquide appelé "flushing" ou "arrosage" ou encore "circulation".

Chapitre IV : Technologies des systèmes d'étanchéité des machines tournantes

L H GAS INERT SEAL SEPARATION

SUPPLY GAS SUPPLY _L=1T GAS SUPPLY

1T

PROCESS ~,~' 3EARING

SIDE &IDE

INNER
LABYRINTH
SEAL

BARRIER SEAL

INBOARD GAS SEAL

OUTBOARD GAS SEAL

Figure IV.8 : Montage type d'une garniture mécanique en opposé.

Le principe de base consiste à assurer l'étanchéité entre deux faces en mouvement relatif (rotation) lubrifiées par un film liquide[3].

IV.3.1.b. Analyse des forces agissant sur les faces de frottement

Élément élastique (ressort) Entraîneur axial

Vis d'entraînement

Joint de chapeau*

Joint coulissant*

Joint de chemise*
· w^-

\

Faces de frottement*

Grain de fond Chemise

Joint de partie fixe*

^P7 Ij^s

SF SN

Côté -- pompe

FR_S

ti_e h d.

- Côté atmosphére

53

Figure IV.9 : Schéma de principe d'une garniture mécanique Les éléments principaux sont :

- les faces de frottement, une par sous-ensemble ;

- les étanchéités secondaires (joints, soufflet métallique, membrane synthétique), au moins une par sous-ensemble ;

- un élément élastique (ressort(s), soufflet métallique, membrane synthétique), dans l'un des sous-ensembles ;

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- des éléments de liaison des deux sous-ensembles à la machine (chemise, couvercle, vis, support, etc.).

En statique, ces deux sous-ensembles sont maintenus en contact par l'action de l'élément élastique.

Cet élément élastique peut être : incorporé dans le sous-ensemble statique ou tournant, ou immergé dans le fluide à étancher ou protégé de celui-ci.

Quels que soient les sollicitations et les petits défauts de rotation, le sous-ensemble contenant l'élément élastique (ressort) doit être mobile dans toutes les directions de manière à assurer un contact permanent des faces. Il est appelé semi-dynamique. L'étanchéité secondaire de ce sous-ensemble subit les mouvements axiaux alternatifs de faible, voire très faible amplitude et, de ce fait, est appelé étanchéité secondaire semi-dynamique. Le diamètre du cylindre sur lequel celle-ci coulisse est appelé diamètre hydraulique d_h: il délimite le piston annulaire de surface SH sur laquelle s'applique la pression du fluide à étancher :

SH = -2, _
·

4 G_t - G,

Joint torique	Ressort f

Figure IV.10 : Schématisation du diamètre hydraulique. Les forces ont deux origines [3]:

- l'une mécanique, transmise par l'élément élastique ;

- l'autre hydraulique, communiquée par la pression du fluide appliquée sur les surfaces annulaires normales à l'axe.

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FR

55

d_ft d,

349=P,-P2

gradient de pression du film dans une interface a faces parallèles et planes

Figure IV.11 : Analyse des forces agissant sur les faces de frottement.

L'élément à considérer dans l'analyse est le sous-ensemble semi dynamique car lui seul possède la liberté axiale de déplacement pouvant rapprocher ou écarter les faces de frottement.

Les forces sont au nombre de trois :

L'élément élastique développe un effort FR car il rapproche les faces la pression du fluide agissant sur la face de frottement semi dynamique développe une force hydraulique de fermeture

EH = SH \p

Le gradient du champ de pression du film dans l'interface agissant sur la surface de frottement

SF développe une force d'ouverture : FO = x .p SF

X : est un coefficient compris entre 0 et 1 ; il est fonction de la loi de décroissance du champ de pression du film lubrifiant.

Il dépend de nombreux paramètres tels que la géométrie des faces, l'état de surface, la pression, la température, les caractéristiques physiques du fluide à étancher. Dans la pratique, on utilise x = 0,5.

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h

d'-

rim

x = 0,5

Interface parallèle
Surfaces de
frottement planes

X ,- 0,5

Interface divergente
Surfaces de
frottement concaves

Interface convergente
Surfaces de
frottement convexes

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Figure IV.12 : Distribution 'x' des pressions agissant en forces d'ouvertures. SF : désigne la surface de frottement (comprise entre di et de).

71 = -

4

..

Les forces conduisent aux résultantes suivantes :

- force de fermeture totale : FE = FR + EH

- force résiduelle de fermeture :

FRF = F - f-

FRF : doit être positif pour maintenir le contact des deux faces de frottement. IV.3.1.c. Consommation d'une garniture mécanique

La partie du film liquide entretenue par la rotation qui s'échappe hors des faces constitue la consommation de la garniture mécanique.

Celle-ci varie avec la distance qui sépare les deux faces (h hauteur d'interface = épaisseur de film) [3].

Les surfaces glissent l'une contre l'autre, avec localement des points de contact, c'est pourquoi le degré de finition des surfaces a une très grande importance : la rugosité la plus faible est recherchée.

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Relation entre rugosité Ra et le taux de surface en contact
suivant son mode d'élaboration

Ra

L1 = Ra=0,01 Rn

MM.

Mn

WIN

VII

1iOii^!'

1111

IIIIIIII

Ra-0,5}rm

Ra=10jam

Ra- 0,1 um

Mode d'iWxratian

Tournage fin

Rectification

Rodage

Polissage

95 %

Tallith surface M mrelfnf

4%

12 %

40%

Ra

S-5₁+3₂+S₃+5₄+S₅

1_t

S3 S4 S5

5 _ FRF(charge normal& p (pression de fluage)

Figure IV.13 : Macroscopie d'une interface d'une garniture.

Dans le cadre d'une théorie simplifiée, le débit d'écoulement peut être estimé à l'aide de l'abaque (figure) de l'écoulement laminaire, à travers une interface radiale circulaire.

Diamètre (mml

100

80

50

10

30

20

57

I I I I I I I I I I ^{I I I}'^I'^{rI I I}'^I'"¹

0 2 4 6 8 ^"'3" 10121416182D 1

0,01 0,1 1 10 100

Pression effective (bar) Fuite iml_ih)

Figure IV.14 : Estimation indicative de la consommation d'une garniture mécanique.

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