Brevet FR2222552A1 — publié le 19741018

La présente invention se rapporte à une pompe rotative aspirante et refoulante sans alve pour fluides à hautes pressions et températures drenviron 2500C à quatre chambres variables, limitées par deux tiroirs jumelés (ailettes jumelées très épaisses) commandés de l'intérieur du rotor ; elle concerne également ses variantes et ses applications. La pompe et tous les appareils qui en dérivent utilisent le principe de la pompe à ailettes, présenté en 1588 par l'italien Ramelli ; ces pompes à ailettes sont cependant des machines trop simples, et elles ne fonctionnent gutà de faibles pressions. La présente machine n'est guère plus compliquée et elle peut fonctionner en pompe ou en turbine avec des fluides à hautes pressions. Comme pompe, elle présente un débit continu ; comme turbine, elle fonctionne à des pressions effectives constantes,sans points morts Elle fournit par principe des machines équilibrées et elle présente un rapport élevé entre le volume obtenu et le poids augmentant avec la dimension. On peut facilement la réaliser dans un atelier modeste, en utilisant toute une gamme de matières appropriées depuis les matières plastiques rigides jusqu'aulx aciers courants. l'invention sera mieux comprise au moyen des dessins sur lesquels sont représentés des exemples de réalisation selon l'invention. On voit figure 1 : une coupe de la pompe selon la ligne D-E de la figure 2 figure 2 : une coupe selon la ligne A-B de la figure I figure 3 : une coupe selon la ligne O-B de la figure 1 figure 4 : les tiroirs de la pompe et l'arbre excentrique figure 5 : une coupe partielle de la pompe en fonctionnement figure 6a: un compresseur pour gaz figure 6b : une pompe pour liquides à impuretés figure 6c : une turbine à fluides ; figure 6d : une pompe à interstice de sortie à un seul trou pour lubrifiant figure 7a : une pompe à débit variable (débit maximum)' rotor théoriquement tangent figure 7b : un rotor centré à débit nul; figure 8 : une vue en élévation latéraux le d'un exemple de réalisation de la pompe selon l'invention figure 9 : vue en coupe de-la figure 8; figure 10 : vue en plan de la figure 8. La soupape rotative élévatoire et fou- lante sans valve selon l'invention comporte quatre chambres variables, délimitées par deux paires de tiroirs jumelés v ces tiroirs jumelés sont commandés de l'intérieur et sont contenus dans des fentes existantes 13 pratiquées dans le rotor cylindrique 2 de diamètre d ; ces fentes y débouchent dans deux directions diamétrales perpendiculaires. Chaque paire de tiroirs jumelés 3 constitue, avec ses éléments de liaison, un ensemble rigide d'une seule pièce, chaque paire fonctionnant dans les deux fentes 13 du même diamètre, Le rotor 2 est monté excentriquement entre des couvercles à trou ovale 46 et il est théoriquement tangent à la surface intérieure de la chemise 1, également cylindrique, dtun rayon 1 > D d + 2e, e étant l'excentricité du rotor 2 par rapport à la chemise 1, D le diamètre de la chemise 1 et d le diamètre du rotor 2 ta chemise comportant des trous d'entrée de fluide (39 et 41) et de sortie de fluide (40 et 43) munis de robinets régulateurs42 est fermée, comme dans le cas d'une pompe de type à ailettes, par deux. couvercles latéraux 5 et 6, les paliers décentrés 11 et 12 des deuxembranchements de l'arbre de rotor (7 et 8) étant présents et recouverts de deux chapeaux de palier 9 et'lO. L'un des embranchements est massif 7 et retenu au moyen de la pièce 34, tandis que l'autre (8) est creux, l'embranchement 8 étant travers par un arbre à excentrique 4 vissé au moyen d'une clavette 33 au- chapeau de palier 10 de l'arbre creux qui ne comporte donc pas de sommet axialement libre. L'arbre excentrique est lubrifie à travers un trou 32 muni d'un couvercle 30. Cet arbre fixe 4 forme une seule pièce avec le stator, le stator etant constitué par les couvercles latéraux 5 et 6 et par la chemise I ; il est concentrique par rapport au rotor 2 et son extrémité supérieure libre est supportée à l'intérieur du rotor 2 au moyen d'un palier 31. La manivelle que comporte l'arbre fixe 4 a le même centre périphérique interne que la--chemise 1. L'arbre fixe forme avec l'excentrique une seule pièce. Les éléments de liaison entre les deux tiroirs de la même paire jouent également le role d'éléments de commande des tiroirs jumelés 3 et dans ces deux tiroirs ltex- centrique agit simultanément, directement ou indirectement, par l'intermédiaire d'un palier à bague ou d'un palier à aiguilles 22 Cet effet de commande maintient les deux paires de tiroirs jumelés en rotation, en même temps que le rotor, des nervures coulissantes étant maintenues à une distance constante (pratiquement nulle) de la périphérie intérieure de la chemise 1, avec laquelle elles 'entrent en contact qu'indirectement par l'intermédiaire des éléments d'étanchéité 27, dans les variantes où ils existent, constitués par des aubes rectilignes doubles ou des aubes coudes à angle droit contenues dans des rainures.Les tiroirs 3 peuvent comporter aux extrémités ou latéralement des éléments d'étanchéité 27. Ces aubes doubles que l'on appellera classiquement segments 27 présentent des solutions de continuité 29, non rencontrées dans chaque paire, pour donner de 11 élasticité, ee qui assure une aire de contact continue avec les zones d'étan chéité du stator, ou ils glissent ; ils sont poussés - seulement par centrigugation - par centrifuOation et ressort hélicoïdal 24 sur les sommets des tiroirs - par des ressorts placés dans les faces des rotors transvèrsalement dans les interstices où fonctionnent les tiroirs et dans les faces latérales des mêmes tiroirs 3. tes éléments d'étanchéité (segments) peuvent également etre poussés par de petits pistons sous pression ou par des pistons ou des ressorts, mais aucun de ces éléments ne sera nécessaire, si l'on utilise des se;ments magnétiques. Tous les éléments d'étanchéité (segments) sont assemblés dans des pièces détachées prismatiques que l'on appellera supports de segments (15, 17,19). 'Ces supports de segments sont montés dans des interstices 18 existants sur des sommets et des cotés des tiroirs (14 et 16), dans les faces 16 du rotor et, transversalement, dans les fentes de tiroirs 13 ; ils sont emboîtés sous pression, puis fixés au- moyen de vis ou de petites chevilles. I1 n'y a pas de supports de segment dans les tiroirs 36 Dans la face extérieure des supports de segments, il existe des rainures pour les segments ; dans la face opposée, il y a des trous 23 qui pénètrent encore de quelques millimètres dans les rainures, de sorte que les ressorts 24 peuvent agir sur les segments (25, 26,28) constitués par des aubes doubles On peut supporter les tiroirs dans le rotor par deux moyens différents, ce qui donne deux variantes de rotor - rotor à rouleaux : les tiroirs sont supportés sur des rouleaux 20, les arbres étant supportés sur le rotor - Rotor à plaques -. les tiroirs sont supportés sur des plaques en matières à faible coefficient de frottement 35 (comme du bronze, une matière plastique et du graphite) ; le rotor comporte des fentes et il est adapté (évidé) de façon à comporter des évidements appropriés 38 ou les plaques sont fixées On ne s'est référé qu'à des machines à commande interne des tiroirs jumelés 3, mais on peut simplifier facilement les machines doubles en machines à commande péri- phérique, comme dans une pompe de type à ailettes. Toutes les autres caractéristiques sont conservées et l'on peut utiliser une commande périphérique avec les deux types de rotor. Dans le cas de la commande périphérique, les nervures des tiroirs doubles sont d'un type spécifique (37), et on ne les utilise pas, normalement, avec des segments, mais on peut facilement les utiliser comme l'indique la référence 37. Les machines à commande périphérique ne requièrent pas d'arbre fixe à excentrique 4 et, par conséquent, les deux embranchements de arbre du rotor sont axialement et radialement libres et massifs (56 et 57). Da4s le cas dtune commande périphérique comme dans le cas d'une commande interne, il y a quatre types principaux de chemises 1 que l'on peut distinguer en particulier par les entrées et sorties de fluide. Cette pompe comporte un interstice dans la périphérie intérieure de la chemise 44 pour relier, à un angle déterminé de leurs courses, deux chambres variables. On ne s'est référé qu'à un débit sensiblement constant pour des pompes à vitesse de rotation constante. Il y a cependant des variantes permettant de réaliser des pompes à débit variable, entre zéro et le maximum et le maximum et zéro, à une vitesse de rotation constante, de variation "en continu" et à des pressions intérieure et extérieure équilibrées. Elles sont basées sur le fait que, pour une vitesse de rotation constante, le débit d'une pompe de ce type est proportionnel à l'excentricité du rotor (par rapport à la chemise). te rotor étant centré, les quatre chambres variables sont toujours égales et le débit est nul pour toute vitesse de rotation. Dans sa position tangente théorique (excentrique maximale), la variation des chambres sera maximale, ainsi que le débit respectif. La variation d'excentricité est effectuée non par le déplacement linéaire du rotor 2, mais par celui du stator, ce qui évite les mouvements linéaires de i'ar- bre d'entraïnement du moteur. En mtme temps, il faut vaincre des pressions de travail à l'intérieur de la pompe (au moins au moment de l'augmentation de l'excentricité), ce qui demanderait une force énorme. Cela a été la raison principale pour réaliser une pompe à pressions intérieure et extérieure équilibrées, ce qui permet, au cours de la variation, même en fonctionnement, de ne vaincre que les forces de frottement par glissement sur des rouleaux (planche 8, figure 1). En outre, le raccord de la sortie d'huile sous pression du stator à déplacement linéaire n'a pas à titre flexible, car on utilise le piston de contre-pression 47 avec un piston libre auto-ajustable 51 comportant des segments 52 ou un joint torique et un trou centré 48, comme élément de liaison mobile entre la pompe et un réservoir à huile rectangulaire fixe 49 ; ce réservoir comporte une chemise 50 sur sa face supérieure, où le piston cité 47 fonctionne en se déplaçant linéairement, avec un trou central pour le passage de l'huile, de la pompe au réservoir 49. Le réservoir rectangulaire fixe 49, comportant la chemise 50 et le trou d'évacuation 48, est la plate-forme de tout l'ensemble et, de cotés opposés, partent des entretoises prismatiques 53 où se trouvent les paliers 55 des deux embranchements de l'arbre du rotor 2 (56 et 57) qui, quant à eux, n'effectuent pas de mouvement linéaire. tes entretoises sont reliées par des traverses 58 La pression de fonctionnement interne à l'intérieur de la pompe sera en opposition avec la pression qu'exerce huile qui se trouve à l'intérieur du réservoir 49 qui est évacué par le trou 54 sur la surface intérieure 47 du piston ; l'équilibre est une question d'aires, car la pression qui règne à l'intérieur de la pompe est identique à celle du réservoir à huile 49. y y a deux variantes de pompes de type à écoulement variable ; l'une à commande de tiroir double in- terieure, et l'autre à commande périphérique. Cette dernière, comme le montre la planche 7 ne comporte pas d'arbre à excentrique fixe comportant un excentrique, et les deux embranchements de l'arbre du rotor sont massifs. L'excentricité dans ce cas est réglée au moyen d'une vis 60 pénétrant dans la pièce de fixation 59. Dans la variante de la commande intérieure à débit variable, la machine comportera un arbre fixe pourvu d'un excentrique 4 et les deux embranchements de l'ar- bre du rotor (8) seront creux ; de ceux-ci, les deux sommets ae l'arbre partiront avec la manivelle 4, les deux sommets étant alors fixés aux couvercles au moyen de pièces passant devant les deux arbres creux 8, ce qui les empêche de recevoir tout mouvement axial (planche 8, figure 2). I1 faudra les déplacer radialement au moyen d'un pignon 61 monté au sommet de l'un des arbres creux 8 et fixé sur une pièce 62 déplacéepar un arbre à pignon, pour ce but spécifique. Le pignon est commandé par un moteur électrique 63. L'invention peut etre appliquée à diverses machines, notamment : - un compresseur pour gaz à pressions progressives, limi tées seulement par la température de combustion du li quide de lubrification et de réfrigération, provenant des commandes de tiroirs internes, utilises sans élément de retenue. Stator réfrigéré ; Ithuile est récupérable. - Détendeur pour vapeur à lubrification forcée, à circu lation de vapeur en circuit fermé, car il est possible, après la décantation automatique préalable du radiateur condenseur, de séparer complètement l'eau de l'huile par centrifugation. L'eau injectée dans le générateur de vapeur sera dépourvue d'huile ; 1'huile sera recupé- rée en circuit fermé. - Des pompes et turbines pour liquides courants, avec ou sans impuretés. - des moteurs hydrodynamiaues - des groupes motopropulseurs fonctionnant à des pressions d'huile élevées, de débit variable à vitesse de rotation constante , entre O et M et M et-O qui, en liaison avec IV, effectueront toutes transmissions hydrauliques désirables. Toutes les turbines ont un couple élevé, à partir des faibles vitesses de rotation, même lorsqu'elles fonctionnent avec des gaz et, bien-entendu, avec de l'air froid R E V E N D I C A T I O N S 1. Pompe rotative aspirante et refoulante pour fluides sous hautes pressions, sans valves, carac tersée en ce qu'elle comprend quatre- chambres variables limitées par deux tiroirs jumelés dans une position à angle droit se trouvant dans des fentes intérieures du rotor cylindrique d'où ils sont commandés directement ou indirectement par des bagues (paliers) ; ces tiroirs étant supportés sur des rouleaux, à arbres fixes sur le rotor, ou sur des plaques. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque paire de tiroirs jumelés et l'élément de liaison respectif constituent un ensemble rigide d'une seule pièce, en ce que chaque tiroir jumelé de la mime paire est dans le prolongement de l'autre suivant ùne direction dia- métrale du rotor, en ce qu'ils comportent, sur leurs sommets ou latéralement, des éléments d'étanchéité qui sont portés par des supports de segments qui sont eux-memes placés à la surface du rotor ou transversalement dans les fentes où fonctionnent les tiroirs jumelés. 3. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'un des embranchements de l'arbre du moteur est massif et l'autre creux,de sorte qu'un autre arbre à excentrique peut entre placé en son intérieur, cet arbre devant entre fixé sur le chapeau de palier de 11 arbre creux qui le contient. 4 Pompe selon llune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'arbre fixe qui commande de l'intérieur les tiroirs jumelés et est-.solidaire du stator, est concentrique par rapport au moteur et à sa partie libre supportée en son intérieur au moyen de paliers. 5. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les arbres fixes et l'excentrique forment une seule pièce. 6. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le stator effectue un mouvement linéaire par rapport au rotor, ce qui permet de régler, pour des vitesses de rotation constantes, un débit désirable compris entre zéro et l'ouverture maximale du robinet. 7. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les pressions intérieure et extérieure sont équilibrées, du fait que la pression de fluide qui s'exerce sur la chemise faisant partie du stator est compensée au moyen d'un piston hydraulique qui y est monté dans une direction opposée,