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Article

1 - CONSTITUTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE GARNITURE MÉCANIQUE D’ÉTANCHÉITÉ

2 - ÉCOULEMENT DES FLUIDES COMPRESSIBLES

3 - ÉTANCHÉITÉ DES GAZ À BASSE PRESSION

4 - ÉTANCHÉITÉ DES GAZ À HAUTE PRESSION

5 - ÉTANCHÉITÉ D’UN FLUIDE DIPHASIQUE

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

8 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : BM5429 v1

Conclusion
Garnitures mécaniques d’étanchéité - Cas des fluides compressibles et diphasiques

Auteur(s) : Noël BRUNETIÈRE

Date de publication : 10 sept. 2020

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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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ABSTRACT

Mechanical face seals - Application to compressible and two-phases fluids

Mechanical faces seals are sealing systems used on many rotating machines with a large panel of fluids. This article addresses the case where mechanical face seals operate with compressible fluids, that is to say low and high pressure gases and liquids undergoing vaporisation during the sealing process. The physical phenomena governing each of these working conditions, their classification and the impact on the mechanical seal performance are presented. The case of spiral groove face seal working with a gas is also analysed.

Auteur(s)

  • 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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KEYWORDS

gas   |   mechanical face seal   |   two-phases   |   spiral grooves

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm5429


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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

  • (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...

1 Événements

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

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2 Normes et standards

Se référer aux articles [BM 5 425] et [BM 5 426].

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3 Annuaire

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3.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

Artema, Syndicat des des industriels de la mécatronique :...

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