Brevet FR2040248A1 — publié le 19710122

L'invention concerne un compresseur à piston, notamment pour la compression de l'air et plus particulièrement pour des débits d'air aspiré de l'ordre de 20 m3/min. et des vitesses de rotation de 3g0 tours par minute, Le rendement des compresseurs à piston, défini aussi comme rendement isotherme ou travail spécifique, est influencé en particulier par.les facteurs suivants: a) par la vitesse du gaz en traversant les soupapes d'aspiration et de compression, dans lesquelles il se produit des pertes de charge, b) par la transmission de chaleur à l'intérieur du compresseur à piston et sur le réfrigérant prévu0 c) par la. non étanchéité des segments de piston et des presse-étoupes dans lesquels se produisent des. pertes par fuites. d) par le travail de frottement des segments de piston e.t des presse-étoupe8,et e) par le travail de frottement des organes de commande. Un rendement optimum exige un accord de ces facteurs d'influence, qui, rapportés à-la vitesse du piston, au diamètre du cylindre et à la configuration des chambres de compression provoquent des effets partiellement différent. ainsi, par exemple, avec une vitesse accrue du piston, avec des grandeurs de cylindre comparables, les vitesses des soupapes augmentent et par conséquent aussi les pertes dans les soupapes et d'autre part le pourcentage des pertes par fuite sur les segments de piston diminue. Mais la construction d'un compresseur à piston exige non seulement un rendement optimum, mais également une résistance optimale à l'usure. L'effet optimum est étroitement limitée. par l'usure mécanique. La limite est déterminée par l'utilisation et la grandeur de la machine. Ainsi amour les compresseurs pair. par exemple avec des débits d'air aspiré supérieurs à 203/min0, des règles de construction déterminées se sont dégagées . Une de ces règles entre autres, fixe par exemple la vitesse moyenne du piston à des valeurs se situant entre 2,5 et 4 m/s, car suivant l'expérience, ces vitesses assurent encore une tenue satisfaisante à l'usure. Comme la vitesse du piston, pour un diamètre de cylindre donné,détermine aussi la grandeur des soupapes et les vitesses dans les soupapes, qui exercent l'influence principale sur le rendement général du compresseur, des limites sout fixées de cette façon à la vitesse du piston Une amélioration du rendement exige une diminution des vitesses dans les soupapes car les pertes par écoulement exercent sur le rendement une influence d'une grandeur plus que proportionnelle. Mais pour la construction d'un compresseur la rentabilité totale d'une installation de compresseurs est finalement décisive. Elle ae compose essentiellement de trois grandeurs d'in fluence a) le rendement (correspond essentiellement aEx frais d'exploitation) b) les frais d'usure et d'entretien, at c) la dépense pour l'achat et l'installation du compresseur. La dépense Indiquée en c) se compose des frais. d'acquisition du-matériel et des frais pour la dépense d'emplacement et d'installation. On peut abaisser cette dépense en particulier par la réduction du volume oonstructif. -Une-vitesse accrue du com- presseur entraîns une réduction du volume du cylindre nécessaire. Egalement, elle a une influence favorable en oe qui concerne le moteur de commande car comparativement dans les mo- teurs aussi, la dépense constructive diminue quand la vitesse augmente.En outre, les vitesses assez élevées offrent plutôt la possibilité d'installer les machines sans fondation sur des éléments élastiques et de cette façon de faire des économies sur es frais d'installation L'invention a notamment pour but d'augmenter la rentabilité totale d'un compresseur à piston, pour les débits cidessus indiqués, au delà des valeurs obtenues usuellement, A cet effet, l'invention concerne un compresseur à piston, notamment pour la compression de l'air et plus Sarticuliè- rement des débits d'air aspiré de l'ordre de 20 m2/min. et des vi testes 8e rotation de 300 tours par minute, compresseur caractérisé en ce qre le diamètre du cylindre est déterminé suivant la formule D = K3 V dans laquelle K est la constante résultant de la somme de tous- les facteurs d'influence avec et dans laquelle V = s D 2/4 (m3). Parmi les facteurs influant sur le rendement du compresseur, la vitesse-moyenne des soupapes est comme déjà mention nla--grandeur dominante. L'amélioration du rendement signifie donc.en premier lieu un agrandissement des soupapes. Pour loger les soupapes on dispose de la surface de la tête de cylindre ou de celle du cylindre. Un logement des soupapes dans la tette du cylindre est souhaitable pour assurer un afflux impéccable aux soupapes et de plus pour réduire.les espaces nuisibles. La surface de la tête est déterminée par le diamètre du cylindre et dans le cas où on n'assure pas par une configuration particulière de la chambre de compression des surfaces assez grandes pour loger les soupapes, une dégradation du rendement et par conséquent une dépense constructive plus élevée sont à envisager. Naja, l'orientation vers un compresseur à marche rapide entratne une réduction du volume du cylindre et par consé- quent du diamètre du cylindre et des surfaces disponibles pour le logement des soupape. La recherche d'une tenue relativement bonne à l'usure entrains ,d'autre part,de faibles vitesses du piston et par conséquent desvitesses de rotation réduites Il résultat de ces considérations que, contrairement à ce que l'on observe dans la construction des moteurs à combustion ce n'est pas une tendance vers des vitesses de plus en plus élevées, mais une tendance vers des vitesses de valeur moyenne, qui est favorable pour améliorer le rendement. Dans ces considérations ou a d'ailleurs négligé des facteurs déterminants. Par l'augmentation des vitesses, comme il a été prouvé par des essais,on peut améliorer le comportement thermique d'un compresseur, les conditions pour une transmission de chaleur favorable, si on réussit à obtenir un écoulement parfait dans les soupapes, non influencé par des turbulences, avec des vitesses dans les soupapes relativement basses Cela peut être obtenu en logeant des soupapes de diamètre largement calculé dans des têtes de cylindres de diamètre relativement grand et à l'aide d'un écoulement à travers- les soupapes à peu près dans la direction de l'axe du piston. Les trajets de piston extrèmement courts résultant des grands diamètres de cylindre et d'une vitesse assez élevéene conduisent alors pas à un écoulement turbulent défavorablement vers les soupapes. En tenant compte des caractéristiques de la solution trouvée, les valeurs optimales des diamètres de cylindres d'un compresseur pour des débits en air aspiré supérieurs à 20 m3/minute et des vitesses supérieures à 300 tOp.m. découlent de la formule D = K3V avec s Dans cette formule D désigne le diamètre du cylindre et V le volume de la course Suivant cette formule on trouve une gamme optima pour le dimensionnement du compresseur. Elle doit être interprétée comme suit : Les pertes thermiques diminuent quand la vitesse augmente par suite de l'amélioration de la transmission de chaleur. Les pertes dans les soupapes augmentent quand la vitesse croit, de même que toutes les pertes par frottement. La dépense constructive diminue quand la vitesse croit. Le comportement à l'usure est supposé constant, abstraction faite de l'usure négligeable des paliers. De la somme de toutes ces influences on peut déduire les valeurs optimales pour le coefficient K. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, h partir desquels on pourra prévoir d'autres variantes de réalisation sans pour cella sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N Compresseur à piston notamment pour la compression de 11 air et plus particulierement des débits d'air aspiré de l'ordre de 20 m3/min. et des vitesses de rotation de 300 t.p.m. compresseur caractérisé en ce que le diamètre du cylindre est déterminé suivant la formule D - K3V dans laquelle E est la constante résultant de la somme de tous les facteurs d'influence avec et dans laquelle V = s Dt/4 (m@).