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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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Écoulement des fluides compressibles
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1. Constitution et principe de fonctionnement d’une garniture mécanique d’étanchéité
Il est utile de débuter cet article en rappelant les principaux composants d’une garniture mécanique d’étanchéité. Toutefois, il est conseillé de consulter l’article [BM5425] qui propose une description exhaustive des différents types de garnitures mécaniques.
La figure 1 présente les principaux constituants d’une garniture mécanique. L’étanchéité est assurée par l’interface entre le rotor et le stator respectivement liés à l’arbre et au boîtier de la machine. Ces deux anneaux offrent des surfaces plates et lisses, avec éventuellement des rainures, qui permettent d’assurer un bon niveau d’étanchéité.
Nous appelons faces de frottement, ou plus généralement faces, le rotor et le stator de la garniture mécanique.
Des joints secondaires sont utilisés pour bloquer le passage du fluide entre le rotor, le stator et leur support. Enfin, un des deux éléments (ici le rotor) fait l’objet d’une liaison flexible avec son support, on parle d’élément flottant. Cette liaison élastique lui permet de parfaitement s’aligner avec la contre-face. Enfin, des systèmes d’entraînement en rotation tels que des pions sont utilisés pour s’assurer que le rotor et le stator n’ont pas de mouvement angulaire, autour de l’axe de rotation de l’arbre, par rapport à leur support.
L’interface entre le rotor et le stator est le siège de nombreux phénomènes physiques : écoulement du fluide entre les surfaces, contact des aspérités, dissipation thermique et transfert de chaleur vers les faces du rotor et du stator. Ceci conduit à une élévation de température et à la déformation des anneaux. Ces phénomènes physiques ont été étudiés en détail dans le cas des garnitures mécaniques pour liquide ...
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Constitution et principe de fonctionnement d’une garniture mécanique d’étanchéité
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(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).
-
(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).
-
(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.
-
...
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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