Brevet FR2012397A1 — publié le 19700320

i 2012397 La présente invention concerne les compresseurs et les détendeurs, et plus particulièrement un appareil perfectionné du type à engrenage pouvant fonctionner soit comme compresseur soit comme détendeur. 5 Les pompes ou compresseurs à engrenages actuellement connus ne peuvent pas fonctionner de façon efficace ou pratique avec des fluides de travail à haute température, dépassant 1093°C par exemple. A ces températures élevées, les pertes par fuites entre les engrenages rotatifs et les éléments fixes de carter et entre les parties 10 complémentaires des engrenages eux-mêmes sont beaucoup plus élevées que dans le cas d'un fonctionnement plus classique à basse température. Cette inaptitude à fonctionner de façon satisfaisante est due principalement à la vitesse plus élevée du son et aux taux de fuites plus élevés existant à ces températures élevées. 15 De plus, les pompes ou compresseurs à engrenages classiques ne précompriment pas le gaz d'admission ou à basse pression avant de le présenter au côté de décharge haute pression du compresseur. Par conséquent, l'engin moteur du compresseur doit fournir la totalité du travail de circulation nécessaire pour assurer ^écoulement 20 de la totalité du volume du gaz d'admission contre la pression de décharge. Pour réduire le taux de fuite des pompes ou compresseurs classiques à engrenages, il serait souhaitable d'entraîner les éléments d'engrenage à grande vitesse. Toutefois, lorsque la vites-25 se au cercle primitif dépasse environ un dixième de la vitesse du son dans le gaz d'admission, les pertes dues à la force d'impulsion inverse deviennent appréciables. Ces pertes sont provoquées par l'exposition brutale des gorges d'engrenages, lesquelles sont remplies de gaz d'admission à basse pression, à la zone de sortie 30 haute pression, entraînant un retour violent du gaz à haute pression dans la gorge d'engrenage qui arrive. Le sens de la précipitation du gaz est contraire au mouvement de l'engrenage, engendrant ainsi des forces d'impulsion inverses qui freinent le mouvement de l'engrenage, et diminuent le rendement du compresseur. Le bruit de fonctionnement 35 du compresseur augmente également, ce qui le rend moins intéressant pour un usage industriel. La présente invention pallie les inconvénients précités et autres de la technique antérieure, et procure, dans l'un de ses modes de réalisation, un moyen passage de rétroalimentation de la zone de 40 sortie haute pression vers les gorges d'engrenage avant qu'elles bad o»® 69 22822 2 2012397 soient en communication avec la zone de sortie et orientés de façon telle que le gaz s'y écoulant entre dans la gorge dans une direction conforme à celle du mouvement de l'engrenage. De cette manière, il se produit des forces d'impulsion qui s'ajoutent à la force d'en-5 traînement de l'engrenage en réduisant par conséquent la puissance requise, ce dont il résulte un rendement accru. Selon un second aspect de la présente invention, des moyens de refroidissement internes sont prévus pour les éléments d'engrenage, lesquels combinés avec certaines relations optimales entre 10 la puissance, la dimension et la vitesse du compresseur à engrenages permettent à celui-ci de fonctionner dans des conditions de températures jugées jusqu'alors impossibles pour un compresseur à engrenages . Afin d'avoir une compréhension plus complète de la présente 15 invention, il sera fait référence à la description détaillée ci-après, considérée avec les dessins annexés, dans lesquels : La Figure 1 est une vue en coupe du compresseur à engrenages perfectionné selon la présente invention ; La Figuré 2 est une vue en coupe prise suivant la ligne 2-2 de la 20 Figure 1 y La Figure 3 est une vue en coupe du mécanisme de base du compresseur à engrenages, tel qu'il est modifié pour fonctionner comme détendeur ; La Figure 4 est une vue en coupe partielle pri^ suivant la ligne 25 4-4 de la Figure 3 ; et La Figure 5 est une vue en coupe prise suivant la ligne 5~5 de la Figure 3» Concernant maintenant les dessins, et plus particulièrement les Figures 1 et 2, le compresseur à engrenages selon la présente 30 invention est représenté en coupe et désigné de façon générale par le repère numérique 10. Tel qu'il est représenté, l'appareil comprend respectivement un carter supérieur 12 et carter inférieur 14, ayant des brides opposées boulonnées ensemble en 16 pour définir une chambre intérieure possédant diverses zones, dont il sera question 35 plus loin» Un joint torique approprié 18 peut être prévu pour rendre le raccordement étanche aux fuites. La chambre intérieure délimitée par les sections de carter 12 et 14 comporte une paire d'orifices d'admission 20 communiquant avec une zone basse pression 21 de celle-ci et un passage de sortie 22 conduisant à un point d'utilisation 40 à partis d'une zone intérieure haute pression 24 de la chambre. 69 22822 3 2012397 Deux éléments d'engrenage cylindriques 26 et 28 sont montés de façon rotative à l'intérieur des sections de carter au moyen d'arbres et de paliers appropriés 30 et 32, respectivement. Les éléments d'engrenage ont une structure externe généralement clas-5 sique comportant chacun des lobes 33 espacés de façon alternée ayant des faces latérales avant 34 tournées dans le sens du mouvement de l'engrenage et des faces latérales arrière 35 tournées à l'inverse du sens de mouvement des engrenages et des gorges 36. Les gorges et lobes de chaque engrenage coopèrent sensiblement en prise d'engrène-10 ment quand les engrenages tournent dans le sens des flèches A et B. Chacun des engrenages 26 et 28 est pourvu d'une structure interne de refroidissement sous forme d'une conduite 38 d'alimentation en agent réfrigérant s'étendant axialement à travers l'arbre 30 et à travers chacun des engrenages, et se terminant à courte 15 distance des extrémités latérales de ceux-ci. A l'intérieur de chaque engrenage et à proximité des lobes 33 se trouvent plusieurs passages axiaux ou longitudinaux 40 de réfrigérant communiquant à une extrémité avec la conduite 38 d'alimentation en réfrigérant au moyen de plusieurs passages radiaux de dérivation 42. L'autre extré-20 mité du passage 40 communique avec plusieurs passages radiaux de retour du réfrigérant 44, dont chacun mène à une conduite annulaire axiale ou longitudinale 46 traversant l'engrenage et l'arbre jusqu'à un réservoir approprié (non représenté). 25 directement avec lesdites zones d'admission ou de sortie pendant la rotation des engrenages sont prévus sous forme d'une paire d1épaulements opposés en saillie 48 et 50 s'étendant dans la zone de sortie haute pression 24 et comportant des surfaces inférieures incurvées 52 et 54 profilées de manière à envelopper les gorges 30 d'engrenage et à former étanchéité contre le pourtour de chacun des lobes 33. Chaque épaulement possède un moyen passage de rétroalimen-tation pour procurer une communication restreinte entre la zone de sortie haute pression 24 et chacune des gorges d'engrenage d'une manière séquentielle avant que les gorges soient" complètement expo-35 sées à la zone haute pression. De plus, 'e moyen de rétroalimenta-tion est orienté, par rapport au sens de rotation chaque engrenage, de manière telle que le fluide de sortit, a Laute pression de la zone 24 alimente chacune des gorges d'engrenage 36 de manière à exercer un effort sur le lobe adjacent dans le sens de rotation c.r 40 l'engrenage. Des moyens empêchant les gorges d'engrenage de communiquer 69 22822 4 2012397 Comme représenté à la figure 1, les moyens de rétroalimentation peuvent donc comprendre un ou plusieurs passages 56 traversant les épaulements 48 et 50 à partir de la face supérieure de ceux-ci vers la face inférieure 52, 54, lesquels sont inclinés généralement de 5 haut en bas et vers l'intérieur en direction du centre de l'appareil pour diriger le courant de fluide les traversant contre la face latérale arrière 35 du lobe 34 atteint de sorte qu'une force d'impulsion se développe contre cette face latérale pour augmenter le couple imparti aux engrenages par leur moyen d'entraînement ex-10 terne, (non représenté ). Bien que le passage de rétroalimentation 56 communique, tel que réprésenté, avec une seule gorge 36 de chaque engrenage, à la fois, la présente invention prévoit que des passages de rétroalimentation supplémentaires peuvent être prévus pour alimenter simultanément plus d'une seule gorge. D'autre part, 15 des passages peuvent être situés entre les gorges de sorte que le fluide de rétroalimentation s'écoule par une gorge et ensuite successivement à travers les autres. Il est également possible de prévoir des passages de rétroalimentation à l'extérieur du car- "v ter, de sorte que le courant de rétroalimentation qui remplit les avant 20 gorges d'engrenage soit refroidi/d'y entrer pour obtenir une température de fonctionnement moins élevée de la machine. Dans le fonctionnement du mode de réalisation des figures 1 et 2, le gaz d'admission à basse pression s'écoule par les passages 20 dans les gorges d'engrenage 36 d'où il est finalement compri-25 mé sous l'action des lobes opposés en prise (selon un processus bien connu) et chassé dans la zone de sortie haute pression 24. Une partie du gaz de sortie haute pression est ramenée dans la gorge 36 de chaque engrenage par les passages 56. Comme on l'a fait remarquer plus haut, le jet de fluide de sortie du passage 30 56 agit hut la face arrière 35 des lob'ss d'engrenage en appliquant une force supplémentaire s'exerçant dans le sens du mouvement de chaque engrenage.pour renforcer le travail de l'arbre moteur et augmenter ainsi le rendement du compresseur. Sans la présence du passage 56, la précipitation brutale du fluide sortie à haute pres-35 sion dans la gorge à basse pression dès que celle-ci se trouverait légèrement en communication avec la zone de sortie," engendrerait une force d'impulsion sur la face avant 34 du loLe, dont le sens serait contraire à celui du mouvement des engrenages, en provoquant une diminution du rendement du compresseur. 40 La conduite de rétroalimentation 56 présente l'avantage BAD ORIGINAL 69 22822 5 2012397 supplémentaire d'amortir les pulsations et le brut de l'appareil. Cela s'obtient en dimensionnant la conduite 56 de manière à régler la vitesse du courant de rétroalimentation dans les gorges dé façon telle que le processus de remplissage soit plus long que 5 dans le cas d'un dessin classique. De cette manière, les gorges d'engrenage sont pratiquement remplies au niveau de pression de décharge au moment où elles arrivent en communication avec la zone de sortie? cela étant valable quelle que soit l'orientation du passage de rétroalimentation. 10 On a constaté que la structure de refroidissement interne de l'engrenage décrite plus haut, combinée avec des puissances de travail minimales d'environ 500 chevaux-vapeur, des vitesses supérieures à 90 m/seconde au cercle primitif et avec une surface de face latérale de lobe d'au moins 64,5 cm2, permet un fonction-15 nement satisfaisant du compresseur à des températures supérieures à 1093°C. Dans ces conditions minimales, on a déterminé que la perte par fuites serait de 145/1000e du courant d'admission. Au contraire, les calculs effectués pour des compresseurs classiques indiquent des pertes par fuites inadmissibles aux températures 20 élevées, avec des vitesses classiques de l'ordre de 30 m par seconde. Les figures 3, 4 et 5 représentent un second mode de réalisation dans lequel le mécanisme de base est modifié pour fonctionner comme détendeur. Sur ces figures, les mêmes repères numériques 25 affectés de l'indice prime se rapportent aux mêmes éléments du mode de réalisation de la figure 1. Concernant maintenant les figures 3, 4 et 5, l'appareil 10' comporte un passage de sortie 20' communiquant avec la zone de sortie 21' et avec l'intérieur des sections 12' et 14' du carter 30 et avec un passage d'entrée haute pression 22' communiquant avec une zone intérieure hau,te pression 24'. Il est prévu des engrenages 26' et 28' généralement similaires aux engrenages 26 et 28 du mode de réalisation précédent et possédant des lobes 33 * et des gorges 36'. Les lobes ont des faces latérales arrière 34' et 35 des faces latérales avant 35' et le sens de rotation de chaque engrenage est désormais indiqué par les flèches C et D. Un plateau cylindrique 62 dont le diamètre edt .sensiblement égal à celui des lobes des engrenages est fixé*à demeure, par des goupilles 60 par exemple^aux côtés opposés de chaque engrenage 40 26' et 28'.. Le plateau 62 constitue une fermeture pour une BAD ORIGINAL1 69 22822 6 2012397 extrémité de la gorge d'engrenage, tandis que le carter 12' constitue une fermeture pour l'autre extrémité, comme le montre clairement la figure 5. Le plateau 62 comporte plusieurs passages inclinés 64 communiquant par une extrémité avec les gorges d'engre-5 nage 36' et par l'autre extrémité avec la surface de bordure 66 du plateau. Comme représenté à la figure 3, les passages 64 sont inclinés afin que leur axe soit sensiblement perpendiculaire aux faces latérales arrière 34' des lobes 33'. Dans ce mode de réalisation, les épaulements 50• ont un inté-IO rieur creux communiquant avec le passage de sortie 20', et des parties inférieures incurvées 54' enveloppant des portions de la surface périphérique des éléments d'engrenage et des portions de la surface de bordure du plateau 66, à part un évidement ou encoche 55 directement au-dessus du plateau 66 et sensiblement 15 de la même largeur, comme représenté à la figure 4. On peut donc constater que la communication est établie au moyen des passages 64 et des évidements 55 entre chacune des gorges d'engrenage avant que celles-ci soient directement en communication avec la zone de sortie 21' quand elle tourne au-delà de la surface 54'. 20 Dans le fonctionnement du mode de réalisation de la figure 3, le fluide d'entraînement haute pression pénètre dans la zone 24' et agit sur les lobes pour les faire tourner dans le sens des flèches C et D, comme on le sait. Pendant la rotation, chaque gorge 36' se trouve remplie de gaz à haute pression, dont une certaine 25 quantité est évacuée vers la zone basse pression 21' par le passage 64 à mesure que les gorges tournent au voisinage de 1'évidement 55. En raison du fait que l'axe du passage 64 est sensiblement perpendiculaire à la face arrière 34* de chaque lobe, l'expulsion du gaz haute pression par celui-ci engendre une force 30 réactive agissant dans le sens du mouvement de cette face et augmentant ainsi l'effort communiqué aux engrenages par l'expansion des gaz. La puissance de travail est ainsi augmentée, ce qui améliore le rendement du détendeur. Sans la présence des passages 64, une fois que chaque gorge 35 est remplie à partir de la zone haute pression 24', les gorges tournent sous la surface 54' et arrivent ensuite en communication avec la zone basse pression 21'. A mesure que chaque gorge d'engrenage arrive en communication, le gaz haute pression qui s'y trouve enfermé est expulsé dans une direction généralement opposée 40 à la face avant 35' des lobes, engendrant ainsi une force réactive BAÔ ORIGINAL^ 69 22822 7 2012397 contre cette face avant, agissant à l'opposé du sens de mouvement des engrenages. Il en résulte des couples agissant contre le couple de travail du détendeur ce qui diminue son rendement. Avec la présente invention, cette diminution de rendement est éliminée 5 du fait qu'au moment où la gorge d'engrenage est directement en communication avec la zone de sortie, la pression dans celle-ci est pratiquement égale à la pression de sortie. Bien que des modes de réalisation préférés aient été décrits ci-dessus, d'autres variantes de la présente invention viendront 10 à l'idée de ceux versés dans cette technique. On peut utiliser par exemple un compresseur à deux ou trois lobes. 69 22822 8 2012397 REVENDICATIONS 1. L'appareil du genre décrit, comprenant : (a)un carter, (b)une paire d'éléments d'engrenage associés montés de façon rotative 5 dans ledit carter, (c)des lobes espacés de façon alternée sur lesdits éléments d'engrenage dont une face latérale avant est tournée dans le sens de déplacement desdits engrenages et une face latérale arrière est tournée à l'opposé du sens de mouvement desdits 10 engrenages, (d)des gorges d'engrenage entre lesdits lobes, (e)un moyen passage d'entrée communiquant avec une zone d'entrée dudit carter, (f)un moyen passage de sortie communiquant avec une zone de 15 sortie dudit carter, (g)un moyen empêchant les portions desdites gorges d'engrenage de communiquer directement avec lesdites zones d'entrée et de sortie quand lesdits engrenages tournent, et (h)un moyen assurant une communication restreinte entre ladite 20 zone de sortie et lesdites gorges d'engrenage avant que lesdites gorges d'engrenage soient directement exposées à ladite zone de sortie. f 2. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel ; (i)ledit moyen mentionné en dernier communique avec ledit moyen 25 passage de sortie en un point de celui-ci se trouvant à l'extérieur dudit carter. 3. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel : (i)ledit moyen mentionné en dernier comprend un passage dont quelques portions au moins ont un axe sensiblement perpendi-30 ■culaire à chacune desdites faces latérales arrière desdits lobes quand lesdits passages sont en communication avec lesdites gorges. 4. L'appareil selon la revendication 3, dans lequel : (j)lesdits passages sont portés par lesdits engrenages de manière 35 à tourner avec eux. 5. L'appareil selon la revendication 4, comprenant en outre ; (k)des plateaux fixés à demeure aux extrémités opposées desdits engrenages et formant une fermeture pour une extrémité de chacune desdites gorges, et 40 (1)lesdits passages sont situés dans lesdits plateaux. BAD ORHâlNAlT 69 22822 9 2012397 6. L'appareil selon la revendication 5, dans lequel : (m)ledit moyen empêchant la communication comporte un épaulement creux en saillie dans ledit carter, et dont l'intérieur communique avec ledit orifice de sortie, 5 (n)ledit épaulement comporte une face inférieure incurvée enveloppant une portion périphérique desdits engrenages, et (0)un évidement dans ladite face pour communiquer avec lesdits passages. 7. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel : 10 (i)ladite zone de sortie contient un fluide sous une pression supérieure à la pression du fluide se trouvant dans ladite zone d'entrée,et dans lequel (j)ledit moyen mentionné en dernier comporte des passages de rétroalimentation. 15 8. L'appareil selon la revendication 7, dans lequel : (k)lesdits passages de rétroalimentation sont orientés par rapport auxdites gorges d'engrenage de sorte que lorsque le fluide s'écoule dans celles-ci, une force d'impulsion s'exerce sur lesdites faces latérales arrière desdits lobes. 20 g. L'appareil selon la revendication 1, comportant également r (j)un moyen de passage d'agent réfrigérant à l'intérieur desdits engrenages pour amener un fluide réfrigérant à proximité desdits lobes et dans lequel, (k)lesdites faces des lobes ont chacune une surface d'au moins 25 64,5 cm et une vitesse d'au moins 91m/sec. au cercle primitif, et dans lequel (1)lesdits engrenages sont entraînés par un moyen moteur d'une puissance supérieure à 500 chevaux-vapeur. 10. Un appareil du genre décrit pour le traitement de gaz à 30 haute température, supérieure à 1093°C, comprenant : (a)un carter, (b)une paire d'éléments d'engrenage associés, montés de façon rotative dans ledit carter, (c)des lobes espacés de façon alternée sur lesdits éléments 35 d'engrenage, (d)des gorges d'engrenage entre lesdits lobes, (e)un moyen passage d'entrée communiquant avec une zone d'entrée dudit carter, (f)un moyen passage de sortie communiquant avec une zone de 40 sortie dudit carter, 69 22822 lo 2012397 (g)un moyen empêchant des portions desdites gorges d'engrenage de communiquer directement avec lesdites zones d'entrée et de sortie quand lesdits engrenages tournent, et (h)un moyen de passage d'agent réfrigérant à l'intérieur desdits 5 engrenages pour amener un fluide réfrigérant à proximité desdits lobes. 11. L'appareil selon la revendication 10, dans lequel : (i)la vitesse desdits lobes au cercle primitif est d'au moins 91 m par seconde,' 2 10 (j)la surface de chacun desdits lobes est d'au moins 64,5 cm ,et (k)la puissance de travail dudit appareil est d'au moins 500 chevaux-vapeur. 12. L'appareil selon la revendication 11, dans lequel : (1)ledit moyen de refroidissement comprend un passage d'alimen-15 tation s'étendant dans l'axe de chacun desdits engrenages, des passages longitudinaux à proximité des lobes et prolongeant sensiblement la profondeur desdits engrenages, un passage d'échappement annulaire entourant ledit passage d'alimentation, des passages d'alimentation radiaux dérivés faisant communiquer 20 ledit passage d'alimentation avec lesdits passages longitudinaux, et des passages d'échappement radiaux dérivés faisant communiquer ledit passage d'échappement annulaire avec lesdits passages longitudinaux.