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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 d’un fluide diphasique
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4. Étanchéité des gaz à haute pression
4.1 Blocage sonique
Intéressons-nous tout d’abord à un phénomène physique de premier ordre apparaissant dans les garnitures mécaniques fonctionnant à haute pression. En 1971, Zuk et al. ont réalisé des tests sur une configuration proche de celle de la figure 4. Dans leurs cas, pi > pe et reste constante égale à 0,418 MPa. L'essai consiste à faire varier la pression pe et à mesurer le débit traversant l’interface. Les résultats sont présentés sur la figure 15. Lorsque la pression pe diminue, tout en restant proche de pi , on observe une augmentation du débit, ce qui est attendu. Ce résultat est en accord avec l’équation obtenue pour l’écoulement à basse pression qui prédit une augmentation du débit, avec toutefois des valeurs beaucoup plus importantes. Lorsque pe atteint environ 0,36 x pi le débit mesuré n’évolue plus, même si la pression de sortie diminue. On parle alors de blocage sonique.
À partir de la pression interne pi et des données de l’article, on peut calculer la vitesse de référence visqueuse qui vaut V = 479 m/s. Elle est supérieure à la vitesse de son a de l’air à température ambiante (environ 340 m/s). Un comportement dit de haute pression est attendu et c’est bien ce qui est observé sur cet exemple. À partir d’un certain rapport de pression aux frontières, le fluide atteint la vitesse du son dans le film. On a alors M = 1. Même si la pression de sortie diminue, il n’est pas possible d’augmenter le débit. En effet, l’information de pression qui transite dans le fluide à la vitesse du son a n’est pas transmise en aval de l’écoulement. On observe un saut de pression en sortie...
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Étanchéité des gaz à haute pression
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).
-
(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).
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(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.
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Garnitures mécaniques d’étanchéité – Lubrification hydrodynamique et mixte.
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Garnitures mécaniques d’étanchéité – Comportement dynamique et thermique.
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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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