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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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Étanchéité des gaz à haute pression
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3. Étanchéité des gaz à basse pression
3.1 Configuration des garnitures mécaniques pour gaz
Le gaz étant un mauvais lubrifiant, il est préférable d’éviter le contact direct des surfaces pendant le fonctionnement de la garniture. Pour cela, une des faces de la garniture (en général le rotor) est équipée de rainures ayant une forme en spirale comme le montre la figure 9. Ces rainures profondes d’une dizaine de microns permettent de générer une pression aérodynamique supplémentaire dans le film de gaz qui va autoriser la séparation des surfaces.
La figure 10 présente la configuration géométrique d’une surface rainurée. Les paramètres utiles sont :
- N :
- nombre de rainures,
- Rgi :
- rayon interne des rainures,
- φ :
- angle formé entre la tangente à la spirale et un rayon,
-
- étendue latérale relative des rainures.
Dans la suite de cette section, nous utiliserons les données présentées dans le tableau 2.
HAUT DE PAGE3.2 Exemple de résultats
La figure 11 présente le champ de pression du gaz entre les faces de la garniture mécanique étudiée pour différentes vitesses de rotation. Pour cet exemple, la distance des faces a été fixée à h = 5 μm. Quelle que soit la vitesse, on remarque que des surpressions sont générées près du rayon intérieur des rainures. L’amplitude de ces surpressions augmente avec la...
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Étanchéité des gaz à basse pression
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
-
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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