Brevet FR2018787A1 — publié le 19700626

La présente invention se rapporte à un élément de refoulement ou de turbine comportant des cavités en hélice, monté par exemple dans le rotor d'une machine électrique et permettant, en passant par une liaison établie au moyen d'un arbre, de refouler des substances gazeuses, liquides ou solides en -frae ou des mélanges de ces matières, ou bien de recueillir un couple à partir de l'énergie cinétique de ces substances en écoulement. Dans la technique, on utilise actuellement les types de pompes suivants pompes à fonctionnement intermittent (pompes à pistons, à pales tournantes, à membrane) pompes à fonctionnement continu (pompes centrifuges, pompes à engrenages, pompes à vis). Lorsqu'on observe les éléments de pompe à fonctionnement continu, on remarque que les éléments fixes et les éléments tournants ou bien les éléments tournants (par exemple dans une pompe à vis, une pompe à engrenages) se trouvent en contact à frottement les'- uns avec les autres, les surfaces de frottement entre les éléments fixes et les éléments tournante assurant l'étanchéité entre le compartiment d'aspiration et le compartiment de refoulement ou entre les éléments tournants composés de plusieurs pièces.Ce contact à frottement provoque la consommation d'une partie relativement-importante de l'énergie- appliquée en vue du pompage et le contact à frottement conduit, en outre,- à une usure intense et, par consé quent, à une diminution progressive de l'effet d'étanchéité des surfaces en contact. Pour cette raison, les pompes ont également une durée de vie relativement courte et exigent un entretien considérable. L'usure des surfaces de frottement entrain toujours une diminution de la pression finale au de la hauteur de refoulement. Un autre inconvénient des éléments de pompe usuels réside dans le fait qu'en raison de la précision élevée et de l''ajustage des élémente constitutifs fixes et tournants, les éléments de pompe ne travaillent correctement qu'à des températures de service bien déterminées, en raison des différences des coefficients de dilatation thermique. Si la température diffère de ces températures de service prescrites, il se produit, soit un interstice trop important entre les éléments constitutifs ajustés, ce qui provoque une baisse de la pression finale, soit un coincement des éléments constitutifs se trouvant en contact à frottement, ce qui fait que l'usure augmente et que la pompe se détériore plus rapidement ou bien que l'énergie nécessaire en plus de l'énergie utilisée pour le pompage augmente, ce qui représente également une perte sensible.Les élé ments de pompe mentionnés présentent encore 11 inconvénient que la substance à véhiculer subit de fréquents changements de direction (notamment dans le cas de pompes multi-étagées) pendant le trajet qu'elle parcoure entre le compartiment d'aspiration et le compartiment de refoulement, c'est-à-dire pendant l'opération de pompage. Ainsi, par exeple, les aube- tournantes des pompes centrifuges usuelles à l'heure actuelle obligent la substance à véhiculer, qui pénètre dans l'axe des des centrifuges dans la pompe en exécutant un mouvement radial, à s'écouler en direction du pourtour extérieur des anbes avant de revenir, pour atteindre l'étage suivant, avec un changement de direction de presque 1800 au voisinage de l'axe des aubes, et de traverser cet étage en subissant de nouveau un change- ment de direction de 180 . Ces changements de direction brusques provoquent des turbulences, ce qui représente également des pertes du point de vue de l'écoulement de la substance. L'augmentation de la puissance ou l'élévation de la différen- ce de pression par étage est limitée par le rapport nombre de tours diamètre de la roue. En effet, lorsque ce rapport dépasse une certaine limite, il se produit le phénomène de la cavitation qui peut provoquer une rupture du dispositif de refoulement ou peat même conduire jusqu'à la destruction complète de ce dispositif. La présente invention vise à remédier à tous ces inconvénients par un élément de rotor cylindrique comportant des cavités en héli- ce et susceptible de véhiculer des substances les plus diverses. les cavités en hélice formées dans l'élément de rotor cylindrique peuvent ttre produites, par exemple, par le fait qu'on pratique au tour, à l'aide d'une lame inclinée, dans un élément cylindrique 3 ayant les dimensions selon la fig. 2, des spires d'une profondeur appropriée, avec un pas approprié et avec plusieurs entrées 4 permettant un meilleur équilibrage. Après avoir donné aux spires une profondeur appropriée, on engage sur l'élément cylindrique un tube 5 dont le diamètre intérieur correspond au diamètre de l'élément cylindrique et on perce ensuite le cylindre en son centre à un dia- mètre qui est supérieur au diamètre de l'arbre éventuel et qui atteint au moins le fond de l'helice à plusieurs entrées, ce qui fait que les spires se trouvent coupées. Après avoir enlevé le tube 5, on obtient un tronçon de tube à plusieurs entrées, à paroi latérale fendue, qui constitue le né gatif des cavités en hélice formées dans le rotor cylindrique. En montant le tronçon de tube ainsi réalisé à paroi latérale fendue, concentriquement dans un alésage supérieur au diamètre éxtérieur du tronçon de tube (au centre de l'arbre éventuel), on peut obtenir le moule pour un élément de refoulement, avec des cavités en hélice formées dans l'élément de rotor cylindrique. Après remplissage par coulée d'un métal approprié ou d'une autre matière et après durcis- sement, on peut "dévisser" le négatif selon la fig. 2 du moule, en saisissant le bout cylindrique 7, et on obtient ainsi l'élément de refoulement 1 selon la fig. 1, comportant des cavités en hélice. Les cavités en hélice peuvent également être formées, par exemple, par enlèvement de copeaux ou (dans le cas d'un cylindre feuilleté) par un procédé de perforation. En faisant tourner l'élément de refoulement cylindrique ainsi obtenu, comportant des cavités en hélice, on reconnat facilement le mode de fonctionnement de cet élément. En considérant à un instant donné cet élément tournant, il apparat que l'ouverture d'admission latérale des cavités en hélice se remplissent, sous effet de la pression ambiante, par la substance à pomper, par exemple par du liquide. Â l'instant suivant, la partie des cavités en hélice qui vient de se remplir de liquide se déplace, par suite de la rotation de l'élément, de façon rectiligne en direction du coté de refoulement et entrain par conséquent du liquide (sous l'effet de l'inertie). De ce fait, les cavités en hélice se vident et peuvent recevoir de nouvelles quantités de liquide. Le liquide pompé se déplace à la manière d'un tire-bouchon par rapport à un bouchon, en parcourant à chaque tour, en direction du côté refoulement, un trajet correspondant au pas de l'hélice et quitte les cavités en hélice, du côté refoulement, après un nombre de tours correspondant au nombre de spires de chaque hélice0 Le liquide traverse ainsi en permanence le compartiment de pompage (ou le compartiment de travail de la turbine) de façon rectiligne, sur une section droite circulaire complète, et une vitesse et une pression qui sont fonction du nombre de tours du rotor et du pas des spires sont imprimées au liquide. Si l'on veut obtenir une pompe spéciale assurant au liquide pompé, du c8té refoulement, une vitesse d'écoulement élevée, on donne aux cavités en hélice une forme conique, de telle manière que la section dronte des cavités en hélice diminue de façon continue, ce qui fait que le liquide qui est accéléré en permanence lors de son pas@age par @@mpartiment de pompags quitte les cavités du c8té refoulement, à es une vitesse élevéec Un avantage considérable du dispositif de refoulement à cavités en hélice réside dans l'absence d'éléments @onstitutifs qui se trouvent en contact à frottement et qui sont soumi@ ainsi à l'usure, ce qui fait que le dispositif de refoulement conforme à l'invention présente une sécurité de fonctionnement élev@e et n'exige qu'vil entretien réduit La pression finale, c'est-à-dire la hauteur de refoulement qui peut être accrue dans les pompes centrifuges par le montage en série de plusieurs étages peut être augmentée ou établie de façon simple, dans la pompe à cavités en hélice, par variation du pas ou du nombre de spires des cavités en hélice. Du fait que la pompe à cavités en hélice ne comporte pas d'éléments constitutifs subissant un frottement, la protection contre la corrosion de cette pompe peut également autre très simple et peut être obtenue, soit par chromage de l'élément tout entier, soit par application d'un revêtement anti-corrosion quelconque. Â défaut d'une autre base de comparaison, la pompe à cavités en hélice présente encore l'avantage décisif que les cavités en hélice assurant le pompage sont symétriques, ce qui fait que le sens du pompage est déterminé uniquement par le sens de rotation. De ce fait, contrairement à toutes les pompes usuelles jusqu' ici, on peut inverser le sens de pompage par une unique commande (éventuellement électrique), ce qui fait qu'une seule et m8me pompe peut, par exemple, servir tant de pompe de remplissage que de pompe de vidange d'un système. La fig. 3 représente un exemple d'application de la pompe à cavités en hélice, suivant lequel cette pompe est montée dans le rotor d'un moteur électrique asynchrone à rotor en court-circuit, pour exercer sa fonction d'élément de refoulement ou de turbine. En effet, en considérant un moteur électrique comportant un induit 8 à cage d'écureuil 9, on remarque que ce moteur présente un avantage qui peut Autre utilisé de lanière très avantageuse, à savoir que le rotor est une unité indépendante qui ne se trouve qu'en liaison magnétique aveo le stator et qui peut être séparé de façon hermétique du stator du fait que le rotor n'exige aucune arrivée électrique ou autre et ne se trouve en liaison que par un flux magnétique avec le stator qui assure son alimentation ou son entraînement en rotation.Si l'on place ainsi entre le stator 11 et le rotor 8 de la machine électrique asynchrone, dans leentrefer de cette dernière, un tube 12 aimantable ou réalisé à partir d'une matière aimantable, le fonctionnement normal de la machine électrI- que ne se trouve aucunement influencé et les deux parties de cette dernière, à savoir le stator et le rotor, peuvent autre disposés dans deux compartiments séparés, fermés de façon hermétique. Ainsi, le moteur électrique peut fournir un travail mécanique également dans un espace dont la pression ou dépression diffère considérablement de la pression ambiante, sans qutil soit nécessaire d'utiliser un système d'étanchéité onéreux et compliqué et sans qu'on ait à craindre une diminution du rendement en raison du frottement ou à -accepter le risque permanent une panne. Un autre avantage considérable de la machine électrique comportant un induit en court-circuit réside dans le fait que 1' induc- tion ne se déroule que dans la couche extérieure relativement mince du rotor, ce qui fait qu'il-est possible de prévoir à l'intérieur du rotor une ouverture cylindrique 10 convenant parfaitement à d'autres usages. Cette ouverture peut contenir divers éléments de machine exigeant un entrainement en rotation. Cette ouverture se trouvant dans l'anneau cylindrique tournant convient particulièrement à la mise en place de l'élément de pompe 2 à cavités en hélice, formé de la manière décrite ci-dessus directement dans le rotor, à savoir par moulage par injection lors de la fabrication de l'induit à cage d'écureuil. On peut ainsi obtenir, dans un espace fermé de façon hermétique par rapport à l'air ambiant, une pompe ou turbine travaillant sans pertes d'étanchéité et de frottement, à l'aide d'une machine électrique ayant le meilleur rendement et une structure des plus simples. La lubrification de la pompe à cavités en hélice, montée dans la machine électrique à rotor en court-circuit est assurée, dans le cas où cette pompe véhicule du liquide, par le liquide pompé lui-meme, ce qui assure toujours la présence de lubrifiant frais, c'est-à-dire une lubrification parfaite. Dans le cas où l'on procède au pompe de substances se trouvant à une température appropriée, l'écoulement intense de la substance pompée ainsi que le refroidissement de la machine qui se trouve en liaison directe avec la substance pompée peuvent être considérés comme parfaits, ce qui représente des avantages considérables quant au dimensionnement de la machine électrique. Du fait que l'induit à cage d'écureuil et la pompe à cavités en hélice montée dans cet vlduit constituent un ensemble indépendant fermé, la protection contre la corrosion peut également être assurée d'une m@nière très simple, soit par chromage de l'élément tout entier, soit par application d'un revêtement anti-corrosion quelconque Au prix d'une certaine modification de la construction, le mode de réalisation qui vient d'entre décrit peut être utilisé ega- lement comme génératrice dans des centrales hydrauliques normales, mais principalement dans des centrales marémotrice. Une autre possibilité d'utilisation réside dans le transport de substances granuleuses solides (blé, sucre). Contrairement au mode de réalisation décrit ci-dessus (montage dans l'axe du rotor), le dispositif de refoulement peut également être réalisé de manière que les cavités en hélice soient formées dans le corps en fer du rotor lui-mme. Dans ce cas, on peut conserver l'arbre du rotor, ce qui facilite le montage, notamment dans le cas de dispositifs de grandes dimensions. - REVENDICATIONS 1.- Elément de machine monté dans une machine réceptrice ou motrice, en vue du refoulement de substances les plus diverses ou en vue de la production d'un couple à partir de l'énergie cinétique de ces substances en écoulement, caractérisé par le fait qu'une cavité fermée en hélice est prévue dans le rot or de la machine réceptrice ou motrice. 2.- Elément de machine suivant la revendication 1, caractéri- sé par le fait qu'il est enfermé dans l'induit en court-circuit d'une machine électrique dont le rotor est séparé hermétiquement du stator par un tube rapporté. 3.- Elément de machine suivant la revendication 1, caractérisé par le feit qu'il se trouve en liaison avec une machine motrice séparée. 4.- Elément de machine suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il est relié à des tubes centrifuges coudés radialement vers l'extérieur, prévus dans l'axe du rotor ou formant 1. prolongement des cavités en hélice. 5.- Elément de machine suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'une "tige filetée" à cavités en hélice est formés dans le cylindre du rotor, orienté en direction axiale. 6.- Ilélent de machine suivant la revendication 1, caract6- risé par le fait que la section droite de la cavité en hélice est variable.