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RÉSUMÉ
Les garnitures mécaniques sont des systèmes d’étanchéité utilisés sur tout type de machines tournantes et avec des fluides très variés. Cet article traite du cas où les garnitures mécaniques fonctionnent avec des fluides compressibles, que ce soient des gaz à basse ou haute pression ou des liquides pouvant se vaporiser dans l’interface d’étanchéité. Les phénomènes physique propres à ces différents régimes de fonctionnement, leur classification et les conséquences sur le comportement de la garniture mécanique seront présentés. Le cas des garnitures mécaniques à rainures spirales utilisées pour les gaz sera aussi analysé.
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Noël BRUNETIÈRE : Directeur de recherche CNRS - Institut Pprime, CNRS – Univeristé de Poitiers - ISAE Ensma, SP2MI, - Chasseneuil du Poitou, France
INTRODUCTION
Les garnitures mécaniques d’étanchéité sont des systèmes d’étanchéité utilisés dans de nombreuses machines allant des plus simples telles que les pompes de lave-linge, à des systèmes sophistiqués parmi lesquels les pompes de circulation de centrale nucléaire ou les compresseurs pour gazoduc. Elles sont donc amenées à fonctionner avec des conditions de pression (du vide jusqu’à 50 MPa), de vitesse (jusqu’à 200 m/s) et de température très large (depuis des conditions cryogéniques jusque plusieurs centaines de degrés). Bien qu’elles soient majoritairement utilisées pour étancher des liquides, elles le sont également pour étancher des fluides compressibles tels que les gaz ou des liquides subissant une vaporisation partielle ou complète lors de la traversée de l’étanchéité. On parle dans ce dernier cas de fluide diphasique. Les exemples typiques sont les compresseurs centrifuges pour gaz et les pompes de circulation d’eau chaude. Les phénomènes physiques propres à ce type d’écoulement et de fluide doivent être pris en compte pour maîtriser le comportement des garnitures mécaniques fonctionnant avec des fluides compressibles et diphasiques. Cet article présente une classification des différents régimes d’écoulement (gaz basse pression et haute pression, écoulement diphasique) et des phénomènes physiques associés. Puis, le comportement et les spécificités des garnitures mécaniques utilisées dans ces conditions sont présentés et analysés, afin de fournir au lecteur les clés pour comprendre les principes de fonctionnement de ce composant mécanique.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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6. Conclusion
Les garnitures mécaniques d’étanchéité sont des systèmes d’étanchéité dynamique pour arbres tournants utilisés pour tous types de fluide que ce soient des liquides, des gaz ou des mélanges des deux. Dans ces deux derniers cas, on parle de fluides compressibles et de fluides diphasiques.
Dans le cas des gaz, les garnitures mécaniques sont généralement équipées de rainures spirales qui permettent de favoriser la formation d’un film de gaz entre les surfaces. Si le comportement de ces garnitures est bien maîtrisé dans le cas des faibles pressions, il devient plus difficile de simuler leur fonctionnement à haute pression. Ce régime apparaît lorsque la vitesse d’écoulement du gaz est proche de la vitesse du son, et se caractérise par de forts gradients thermiques et un possible blocage sonique près de la sortie de la garniture mécanique.
Les écoulements diphasiques se produisent généralement avec des garnitures mécaniques à faces lisses pour liquides. Le liquide se vaporise dans le contact lorsque la température d’alimentation du fluide est proche de la température de saturation (ou de vaporisation) associée à la pression de sortie du fluide. On retrouve cette problématique dans les systèmes fonctionnant avec de l’eau à une température proche ou supérieure à 100 °C. Dans la plupart des cas, la vaporisation ne pose pas de problème pour la garniture, mais un fonctionnement instable avec une fuite pulsée peut apparaître. Il est d’usage de s’éloigner de ce type de régime en utilisant une marge de température suffisante. L’amélioration des performances en diphasique pourrait être obtenue par l’utilisation de rainures ou de textures sur les surfaces de la garniture, comme c’est le cas pour les garnitures mécaniques pour gaz. D’autre part, le comportement des garnitures mécaniques en cas de blocage sonique (observable avec des gaz à haute pression ou des fluides diphasiques) n’est pas encore bien compris et des travaux sur ce sujet sont nécessaires pour mieux appréhender ce phénomène et son impact sur l’étanchéité.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRUNETIÈRE (N.), THOMAS (S.), TOURNERIE (B.) - The Parameters Influencing High Pressure Mechanical Gas Face Seals Behavior in Static Operation. - In : Tribology Transactions 52.5, p. 643–654 (2009).
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(2) - BRUNETIÈRE (N.) - Modelling of Reverse Flows in a Mechanical Seal. - In : Tribology Online 11, p. 94-101. doi :10.2474/trol.11.94. url : https://www.jstage.jst.go.jp/article/trol/11/2/11_94/_pdf (2016).
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(3) - BRUNETIÈRE (N.) - A General Model for Liquid and Gas Lubrication, Including Cavitation. - In : Journal of Tribology 140, 021702-10 p. doi :10.1115/1.4037355 (2018).
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(4) - THOMAS (S.) - Modélisation Numérique du Comportement Thermo-Aéro-Dynamique des Garniture d’Étanchéité pour Gaz Réels à Hautes Pressions. - Thèse de doct. Laboratory of Solid Mechanics, UMR CNRS 6610, SP2MI, 86962 Futuroscope, France : University of Poitiers (2006).
-
(5) - LIEPMANN (H.W.), ROSHKO (A.) - Éléments de la dynamique...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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ARTEMA – Garnitures mécaniques d'étanchéité – Montage, maintenance et défaillances.
-
Garnitures mécaniques d’étanchéité – Lubrification hydrodynamique et mixte.
-
Garnitures mécaniques d’étanchéité – Comportement dynamique et thermique.
-
Garnitures mécaniques d’étanchéité – Déformations des faces et applications.
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...
ANNEXES
Tribo-pprime workshop, https://tribopprime2020.sciencesconf.org/
Fluid Sealing Conference, BHRGroup http://www.bhrgroup.com
International Sealing Conference (ISC), Stuttgart https://sealing-conference.com/
STLE annual meeting https://www.stle.org/annualmeeting
HAUT DE PAGE
Se référer aux articles [BM 5 425] et [BM 5 426].
HAUT DE PAGE3.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Artema, Syndicat des des industriels de la mécatronique :...
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