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JOINT HAUTE PRESSION POUR GAZ SEC .
Ln présente invention concerne les joints d'étanchéité à portée axiale pour des surfaces tournantes convenant particulièrement pour établir l'tanchit contre le passage d'un gaz sec à haute pression,
Le problème à résoudre est par exemple le problème de l'étanchéité pour une pompe de circulation en- traînée de l'extérieur pour un réacteur producteur d'énor@ic refroidi a l'hélium et utilisant de façon généralisés du
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praphite dans le coeur, Une telle pompe de circulation doit répondre à des conditions de fonctionnement parfaitement bien définies, par exemple!
1 -l'hélium doit être extrêmement pur,
2 - la pression du circuit dans un tel réacteur doit être au moins do 20 bar-et probablement 40 bar ( ou plus),
3 - l'arbre d'entraînement de la machine doit avoir un diamètre d'au moins 150 mm et demandera un joint soc d'un diamètre d'environ 175 mm de diamètre,
4 - la vitesse de rotation de la pompe devra être de l'ordre de 3000 6000 tours par minute.
Le problème pos par l'établissement d'un joint axial efficace pour los gaz secs est aggravé quand le gaz sous pression peut être contaminé par des innuretés nuisi- bles tels que des isotopes radioactifs en particulier, car la vie du joint axial n'est pas illimitée. Une solution utilisée pour établir l'étanchéité pour un gaz sous pression relativement à l'atmosphère consiste à introduire un liquide intermédiaire entre le gaz et l'atmosphère, le liquide étant choisi parmi ceux oui peuvent être le plus facilement main- tenus entre des joints glissants.
La présente invention a pour but de réaliser un joint axial perfectionne et tandis que jusau'ici l'impor- tance de la charge sur le joint et la vitesse de glissement de la face d'étanchéité ont joue un rôle important, l'inven- tion est basée sur la conception que la température 9 la face d'étanchéité est un paramètre important relativement h la vit du joint, selon la présents inventif un joint glissant peut établir l'etanchéité contre un paz sous proton comprend
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un patin en matière qui est rodéo par le frottement du joint, et des moyens cour faire circuler un fluide de refroidissement en contact avec le patin.
Le patin est de préférence on graphite imprégné d'un lubrifiant solide tel que le bisulphure de molybdène, le patin étant re- froidi par sa surface éloignée de la face d'étanchéité
L'avantage résultant de l'utilisation de la technique consistant A utiliser un liquide intermédiaire entre le gaz sous pression et l'atmosphère est utilisé, et de préférence co liouide est utilisa comme fluide de re- froidissement.
Les caractéristioues de l'invention ressor- tiront plus particulièrement des exemples suivants dé- crits en se référant aux dossins annexés sur lesquels:
La figure 1 est une coupe axiale d'une partie d'une roue de soufflante centrifuge,
La figure 2 est la coupe suivant la ligne
II-II de la figure 1,
La figure 3 est une coupe axiale représentant une variante de construction,
La figure 4 est une coupe représentant une variante de la figure 3, et
La figure 4A est une coupe suivant la ligne A-A de la fipurc 4.
Les figures 1 ot 2 représentent une roue de soufflante centrifure destinée à la circulation d'un gaz sec à une pression d'environ 20 bar, et oui est considérée ci-après comme Otant le gaz sous pression, une condition requise étant d'empêcher ou de minimiser les fuites de ce gaz sous pression de l'intérieur du corps de la soufflante
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le long du passage de l'arbre, et la technique consistant à introduire un fluide intermédiaire sous pression entre le gaz sous pression et l'atmosphère est utilisée. Pour maintenir ce gaz à 20 bar, un joint plissant 5 est placé pour établir l'étanchéité de l'intérieur du corps de souf- flante par rapport au passage de l'arbre.
Ce joint est refroidi, et le même fluide est utilisa pour le refroidis- sement A une pression un peu supérieure, par exemple 25 bar, et il est maintenu entre une paire de joints 6 et 7 oui sont en arrière par rapport au joint 5 et définissent un espace tampon pour le fluide entre le gaz sous pression et l'atmosphère,
La roue 1 est montée sur un arbre 2 oui tra- verse une structure fixe 3 servant do support pour l'arbre et le dispositif presse-étoupe et dans laquelle sont montés les paliers 4 de l'arbre.
L'arbre porte deux pièces annulaires espacées axialement constituant une partie des joints. L'une de ces pièces est une bapue 9 portant par l'intermédiaire d'un soufflet 8 une bague de montage 10a pour la bague d'tan- chéité 10; l'autre est une bapue 27 sur laquelle est formée une face de glissement 27a sur laquelle sont établis les joints concentriques 6 et 7.
La bague d'étanchéité 10, on graphite imprégné de lubrifiant solide MoS2' porte sur la face d'étanchéité S d'une bague en carbure de tungstène 5a Cette dernière est montée dans un logement d'un manchon 11. Le rebord lia du manchon 11 est fixé à un cylindre 13 traversa par des pas- sages et qui est lui même fixé à une structure 14, Les pièces 13 et 14 sont concentriques et comportent dos passages
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concordants pour l'entrée et la sortie du fluide de re- froidissement de la façon décrite ci-après.
Le manchon 11 comporte une ?orge circulaire 15 qui est fermée par un collier en deux pièces 12 pour établir un conduit intérieur annulaire de refroidissement 11b situa au voisina?? immédiat du logement de la bague en carbure de tungstène Sa, ot un conduit extérieur lie.
L'entrée pour le fluide de refroidissenent est le conduit 16 (figures 1, 2) de la structure fixe 14, aui communique avec le conduit 17 du cylindre 13, oui communioue comme on le voit sur la figure 2 avec la grerge 15, Un parcours pour le fluide de refroidissement est ainsi établi le Ion, de la gorge 15 d'abord travers une partie du conduit lie, puis à travers les trous 10 du collier 12 pour revenir en sens inverse à travers le conduit 11b Le fluide de re- froidissement sort du conduit llb à travers le trou 20 pour passer ensuite à travers les autres parties du con- duit 11c de la forge 15 et les conduits 21, 22 et 23 (fi- gure 2).
Le fluide de refroidissement circulant dans le conduit 11b refroidit le manchon de Montre 11 et par lui te la bague en carbure de tungstène Sa.
Les joints concentrions 6 et 7 sent établis par des bagues 28, 28' en graphite imprégné de lubrifiant solide et oui sont supportées dans des bague$ de montai 29, 29' supportées par des soufflets. L'espace ou chambre ménagé entre ces joints constitue un espace pour un fluide intermédiaire, La baue de montage 29 est la bague cxté- rieure qui est portée par un soufflet 30 fixé1 un rebord intérieur d'une bague 24.
La bague de montage 29 est si- @ tuée Tadialement par rapport à la bapue 24 par une bapue
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formée d'une bande d'acier 51 de forme octogonale engagés entre la surface intérieure de la bague 24 et la surface extérieure de la bague de montage, dans le sens radial.
La bague de montre 29' est montée de façon similaire par une bague octogonale 51', et elle est montre sur un soufflet 30' fixé au-%manchon 11.
Los joints 6 et 7 sont refroidis par une cir- culation de fuite du fluide de refroidissement passant dans l'espace compris entre les soufflets 30 et 30'. Dans ce but, un orifice de fuite 25 permet le passage du fluide du con- duit 15 à t ravers un conduit 26 dans lequel le fluide circule sous une pression réduite autour do la partie extérieure dans le sens radial de la bague de montant 29' pour re- froidir le joint.
Le fluide nasse ainsi à travers la bague
51' et devant le joint 6 pour échapper de la cavité par les passages 70 et 31 disposas radialement,
L'espace annulaire entre le joint 5 et le joint 7 peut être connectéà un point du système dans lequel existe une pression légèrement inférieure à celle du cote haute pression du joint S, ou bien il peut être connecta à un régulateur do pression nui maintient une petite dif- férence de pressions entre les deux côtés du joint 5.
L'arrangement des figures 1 et 2 comporta un soufflet 8 qui tourne nécessairement avec l'arbre 2. Cette caractéristique peut être inacceptable dans certains cas et pour éliminer cet inconvénient, les variantes dos fi- gures 3 ou 4 peuvent être utilisées.
Suivant la figure 3, le soufflet 32 est fixe sur la structure stationnaire 33 et porte son autre ex- trémité une bague 34 en matai dur, par exemple en acier ni- truré ou en carbure de tungstène, la face 34a de cette bague formant une face du joint,
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La face glissante 'Sa est formae sur une bague en graphite 35 imprégnée d'un lubrifiant solide. lu bague 39 est fixée dans une rainure d'un manchon 36 mont.
sur l'arbre 31 entre des <!paule!aent< 7"e , !1b, Le manchon 36 comporte un orifice d'admission radial 38 oui débouche datti un passage axial 38a a travers leauel le liquide de totreim dissement est conduit ontro le Manchon 36 et l'arbre 37 vers un passage radial 39 situa nu Voisinage immédiat de la rainure de Montage do la bogue en graphite 35 Le passage
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39 est raccordé Il un 1'usalte axial 40 nui communioue avec une série de trous radiaux formant une petits Pompe con- trifuge.
Le fluide est refoulé à travers ces trous par l' action centrifuge dans une chambre annulaire 42 dont la paroi extérieure ost définie par la structure stationnaire 43 et qui est limitée par des joints 5 huile classiques 44, 45, avec un joint labyrinthe intermédiaire 46 entre les parties fixes ot les parties tournantes.
Les conduits pour le fluide de refroidissement
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de ta structure 43 sont représentas schëtnatiaucncnt et com- prennent un conduit d'entrée 47 pour le fluide entrant in- termédiaire et de refroidissement qui passe par l'espace annulaire 48, ot un conduit de sortie 49à partir de la chambre annulaire 42, Un conduit 50 est représenté partant du côté basse pression du joint pour l'huile 45 et du joint pour le gaz 34, et il est Maintenu, soit par des connexions convenables, soit par des régulateurs de pression, à une
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pression inférieure Si la fois a celle du pnt pompe ot de l'huile.
Suivant ce mode de r6nli.ntion, le soufflet est centra par une bague octogonale SI*
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Les figures 4 et 4A repaient ent une vafixntu de joint avec des soufflets stationnaire. ( elditoX-Olfo ne tournant pas ), une partie seulement du joint étant représentée, L'arbre 522 porte une bague 533 ayant une face $Sa orientée axialeent pour former l'une des face$ du joint, la face tournante, l'autre face du joint 54a dtant
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formée sur une bague S4 en carbone imprdeneo nu chareai d'un lubrifiant tel que le bisulfure de molybdfcne, La bague on graphite est portée sur une bapue de montapo 55 Qui forme la fonction entre une paire de soufflets annu- laires 56, 56'.
Ces derniers sont fixés AUX autres extré- mités sur la structure fixe en 57 et 58 cour former de
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façon étanche l'onvclpppe 59. La bague de montage 55 a des parois minces et elle est située devant une entrée pour l'huile 60 à travers lnouelle arrive l'huile servant au refroidissement de la bague de montage, L'huile circule dans la bague 55 ot refroidit la bague on graphite, et elle sort de la bapue 55 à travers un orifice de sortie diamétralement oppose l'entrée.
Pour stabiliser les soufflets, un ressnrt hélicoïdal 61 est plac entre l'enveloppe et les soufflets
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pour porter radinlemont contre l'enveloppe.
Los avantages principaux do l'arrangement
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d'etancheite selon l'invention sont les suivants: 1 <' fuit<"! nulles du pas vers l'atmosphère, 2 fuites nulles du fluide vers le rail 3 . le at confina de façon 4tanche peut être un gaz inerte propre en raison de l'utilisation du Matériau
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4 -la pression du gaz n'est pas limitée pair le joint pour le gaz er raison des joints intermédiaires. à liquide,
Les joints connus antérieurement sont représen- tés par les brevets suivants:
Suisse N 340.106 du 10 Mars 1956,
France N 1.210.431 du 26 Septembre 1958,
République Fédérale allemande N 1.073.259 du 6 Février 1958,
Angleterre N 645. 214 du 26 Février 1949,
Etats Unis d'Amérique N* 2.508.097 du 16 Mai 1950,
Etats-Unis d'Amérique N 3.019.026 du 30 Janvier 1962.
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HIGH PRESSURE GASKET FOR DRY GAS.
The present invention relates to seals with axial contact for rotating surfaces, particularly suitable for establishing the seal against the passage of a dry gas at high pressure,
The problem to be solved is, for example, the problem of sealing for a circulation pump driven from the outside for a reactor producing enor @ ic cooled with helium and generally using gas.
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praphite in the heart, Such a circulation pump must meet perfectly well defined operating conditions, for example!
1 - helium must be extremely pure,
2 - the circuit pressure in such a reactor must be at least 20 bar - and probably 40 bar (or more),
3 - the drive shaft of the machine must have a diameter of at least 150 mm and will require a coulter joint with a diameter of about 175 mm in diameter,
4 - the speed of rotation of the pump must be of the order of 3000 6000 revolutions per minute.
The problem of establishing an effective axial seal for dry gases is compounded when the pressurized gas can be contaminated with harmful innurities such as radioactive isotopes in particular, since the life of the axial seal is not possible. not unlimited. One solution used to establish the seal for a gas under pressure relative to the atmosphere consists in introducing an intermediate liquid between the gas and the atmosphere, the liquid being chosen from among those which can be most easily maintained between gaskets. slippery.
The object of the present invention is to achieve an improved axial seal and while hitherto the great load on the seal and the sliding speed of the sealing face have played an important role, the invention. tion is based on the conception that the temperature of the sealing face is an important parameter relative to the speed of the seal, according to the present invention a sliding seal can establish the seal against a paz under proton comprises
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a pad made of material which is rodeo by the friction of the seal, and means for circulating a cooling fluid in contact with the pad.
The pad is preferably graphite impregnated with a solid lubricant such as molybdenum disulphide, the pad being cooled by its surface remote from the sealing face.
The advantage resulting from the use of the technique of using an intermediate liquid between the pressurized gas and the atmosphere is used, and preferably a liquid is used as a cooling fluid.
The characteristics of the invention will emerge more particularly from the following examples described with reference to the appended files on which:
Figure 1 is an axial section of part of a centrifugal fan wheel,
Figure 2 is the section along the line
II-II of figure 1,
FIG. 3 is an axial section showing an alternative construction,
Figure 4 is a section showing a variant of Figure 3, and
FIG. 4A is a section taken along line A-A of fipurc 4.
Figures 1 ot 2 show a centrifugal blower wheel intended for the circulation of a dry gas at a pressure of about 20 bar, and yes is hereinafter considered to be the gas under pressure, a condition required being to prevent or to minimize leakage of this pressurized gas from inside the blower body
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along the passage of the shaft, and the technique of introducing a pressurized intermediate fluid between the pressurized gas and the atmosphere is used. To maintain this gas at 20 bar, a pleat seal 5 is placed to seal the interior of the blower body with respect to the passage of the shaft.
This seal is cooled, and the same fluid is used for cooling At a somewhat higher pressure, for example 25 bar, and it is held between a pair of seals 6 and 7 yes are backwards with respect to seal 5 and define a buffer space for the fluid between the pressurized gas and the atmosphere,
The impeller 1 is mounted on a shaft 2 yes through a fixed structure 3 serving as a support for the shaft and the stuffing-box device and in which the bearings 4 of the shaft are mounted.
The shaft carries two axially spaced annular parts constituting part of the seals. One of these parts is a bapue 9 carrying, through a bellows 8, a mounting ring 10a for the sealing ring 10; the other is a bapue 27 on which is formed a sliding face 27a on which the concentric joints 6 and 7 are established.
The sealing ring 10, graphite impregnated with solid lubricant MoS2 'bears on the sealing face S of a tungsten carbide ring 5a The latter is mounted in a housing of a sleeve 11. The flange 11a of the sleeve 11 is fixed to a cylinder 13 through which it passes and which is itself fixed to a structure 14, The parts 13 and 14 are concentric and have passages
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matching for the inlet and outlet of the cooling fluid as described below.
The sleeve 11 has a circular barley 15 which is closed by a two piece collar 12 to provide an annular inner cooling duct 11b located adjacent to it. Immediate housing of the tungsten carbide ring Sa, ot an outer duct links.
The inlet for the cooling fluid is the duct 16 (figures 1, 2) of the fixed structure 14, which communicates with the duct 17 of the cylinder 13, yes communicates as seen in figure 2 with the barn 15, A The path for the coolant is thus established on the Ion, from the groove 15 first through a part of the duct li, then through the holes 10 of the collar 12 to return in the opposite direction through the duct 11b. Cooling exits from conduit 11b through hole 20 and then passes through the other parts of conduit 11c of forge 15 and conduits 21, 22 and 23 (Figure 2).
The cooling fluid circulating in the duct 11b cools the watch sleeve 11 and through it you the tungsten carbide ring Sa.
The joints 6 and 7 are established by rings 28, 28 'of graphite impregnated with solid lubricant and yes are supported in rings $ of mount 29, 29' supported by bellows. The space or chamber formed between these seals constitutes a space for an intermediate fluid. The mounting frame 29 is the outer ring which is carried by a bellows 30 fixed to an inner rim of a ring 24.
The mounting ring 29 is located Tadially to the bapue 24 by a bapue
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formed of a steel strip 51 of octagonal shape engaged between the inner surface of the ring 24 and the outer surface of the mounting ring, in a radial direction.
The watch ring 29 'is similarly mounted by an octagonal ring 51', and is shown on a bellows 30 'attached to the sleeve 11.
The seals 6 and 7 are cooled by a leakage circulation of the cooling fluid passing through the space between the bellows 30 and 30 '. For this purpose, a leakage port 25 allows the passage of fluid from line 15 to conduit 26 in which fluid circulates under reduced pressure around the radially outer portion of the upright ring 29 '. to cool the joint.
The fluid thus traps through the ring
51 'and in front of the seal 6 to escape from the cavity through the passages 70 and 31 arranged radially,
The annular space between seal 5 and seal 7 can be connected to a point in the system where there is a pressure slightly lower than the high pressure side of seal S, or it can be connected to a pressure regulator that maintains a pressure. small difference in pressure between the two sides of the gasket 5.
The arrangement of Figures 1 and 2 included a bellows 8 which necessarily rotates with the shaft 2. This feature may be unacceptable in some cases and to eliminate this drawback the variants of Figures 3 or 4 may be used.
According to FIG. 3, the bellows 32 is fixed on the stationary structure 33 and carries at its other end a ring 34 of hard material, for example of nitrided steel or of tungsten carbide, the face 34a of this ring forming a ring. gasket face,
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The sliding face 'Sa is formed on a graphite ring 35 impregnated with a solid lubricant. lu ring 39 is fixed in a groove of a sleeve 36 mont.
on the shaft 31 between <! shoulders! aent <7 "e,! 1b, The sleeve 36 has a radial inlet port 38 yes opens from the atti an axial passage 38a through the water that the totreim dissement liquid is led ontro the Sleeve 36 and shaft 37 towards a radial passage 39 in situ Immediate vicinity of the mounting groove of the graphite bug 35 The passage
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39 is connected to an axial joint 40 which communicates with a series of radial holes forming a small condensate pump.
Fluid is forced through these holes by centrifugal action into an annular chamber 42 whose outer wall is defined by stationary structure 43 and which is bounded by conventional oil seals 44, 45, with an intermediate labyrinth seal 46 between. the fixed parts ot the rotating parts.
Conduits for the coolant
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of the structure 43 are shown schematically and include an inlet duct 47 for the intermediate and cooling entering fluid which passes through the annular space 48, and an outlet duct 49 from the annular chamber 42. conduit 50 is shown starting from the low pressure side of oil seal 45 and gas seal 34, and is held, either by suitable connections or by pressure regulators, at a
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lower pressure If both than that of the pump pump without oil.
According to this method of connection, the bellows is centered by an octagonal ring SI *
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Figures 4 and 4A repre ent a seal vafixntu with stationary bellows. (elditoX-Olfo not rotating), only part of the joint being shown, the shaft 522 carries a ring 533 having a face $ Sa oriented axially to form one of the face $ of the joint, the rotating face, the other face of seal 54a
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formed on a carbon ring S4 imprdeneo bare chareai of a lubricant such as molybdfcne disulphide, The graphite ring is carried on a montapo bapue 55 Which forms the function between a pair of annular bellows 56, 56 '.
These are fixed AT the other ends on the fixed structure in 57 and 58 yard forming
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airtight manner onvclpppe 59. The mounting ring 55 has thin walls and it is located in front of an oil inlet 60 through the new inlet the oil for cooling the mounting ring. The oil circulates in the ring 55 ot cools the ring on graphite, and it leaves the bapue 55 through an outlet orifice diametrically opposed to the inlet.
To stabilize the bellows, a helical spring 61 is placed between the casing and the bellows
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to wear radinlemont against the envelope.
The main advantages of the arrangement
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leaks according to the invention are as follows: 1 <'leaks <"! zero of the pitch towards the atmosphere, 2 zero leaks of the fluid towards the rail 3. the seal can be a clean inert gas due to of the use of the material
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4 -the gas pressure is not limited by the gasket for the gas due to the intermediate gaskets. liquid,
The previously known seals are represented by the following patents:
Switzerland N 340.106 of March 10, 1956,
France N 1,210,431 of September 26, 1958,
German Federal Republic N 1.073.259 of February 6, 1958,
England N 645. 214 of February 26, 1949,
United States of America N * 2.508.097 of May 16, 1950,
United States of America N 3.019.026 of January 30, 1962.