Brevet FR2253155A1 — publié le 19750627

LRinvention concerne une installation de compresseurs à vis pour comprimer des milieux gazeux5 de pféfe- rence avec de faibles volumes dgadmission, à l'aide de rotors disposés dans un carter. Pour comprimer des milieux gazeux, on utilise dans de nombreux cas des compresseurs à vis de façon préférentielle, On comprend alors également l'air dans les milieux gazeux. Les compresseurs à vis sont relativement économiques et de fonctionnement sûr. Dans ces compresseurs, le milieu gazeux à comprimer est aspiré par une conduite d'admission dans la chambre de travail du compresseur. Si le milieu gazeux à comprimer est de l'air, celui-ci est aspiré en général dans l'ambiance environnante, un filtre å air étant prévu dans la conduite d'aspiration ou d'admission.Dans la chambre de travail de compresseur à vis5 le milieu gazeux est comprimé de façon connue en ce qu'il est déplacé de façon continue du côté d'admission au côté de refoulement du compresseur par les filets de vis en prise mutuelle de deux rotors disposés dans le carter du compresseur, le volume de compression des filets, qui contient le gaz ou l'air, étant constamment réduit. Le milieu gazeux comprimé à sa pression finale est enfin chassé, par une conduite d'échappement à haute pression, de la chambre de travail du compresseur â vis vers l'appareil utilisateur ou la tubulure d'admission d'un étage de compresseur à vis qui suit. Pour des raisons économiques, les compresseurs à vis connus sont constitués de façon à avoir toujours le plus grand remplissage possible des espaces entre filets individuels pour le diamètre de rotor considére. Cela signifie que les espaces entre filets pénètrent le plus loin possible dans le rotor intéressé. La section frontale de ces filets est donc la plus grande possible, de telle sorte que le rotor ait encore une résistance juste suffisante pour le fonctionnement sûr du compresseur. Pour les faibles volumes d'admission, les compresseurs â vis connus ont essentiellement la mme construction, les rotors présentant cependant des diamètres extérieurs réduits en conséquence. Mais. pour éviter de trop grandes pertes de reflux la vitesse périphérique ne doit pas descendre au-dessous d'une valeur déterminée qui est comprise entre 10 et 45 m/s pour les compresseurs à vis à injection d'huile et peut mesme atteindre 50 à 75 m/s pour les compresseurs fonctionnant à sec. Cn doit donc choisir une vitesse de rotation de rotor suffisamment élevée pour correspondre à cette vitesse périphérique minimale. Les vitesses de rotor élevées entraient cependant divers inconvénients et surtout des bruits élevés dus au fonctionnement du compresseur. Par ailleurs, avec les compresseurs à visconnus, on ne peut pas descendre au-dessous d'un débit volumétrique d'admission minimal de 10 à 15 m3 /mn environ. En effet, pour éviter le grippage des rotors, le jeu entre les rotors et le carter ne doit pas etre inférieur à une valeur minimale déterminée. I1 en résulte qu'au-dessous d'un calibre déterminé des rotors, le jeu et, par suite, les pertes de reflux sont trop élevés par rapport au débit, de telle sorte que dans les cas extrêmes il ne sort plus de gaz du côté du refoulement du compresseur. Les problèmes mentionnés ci-dessus, notamment pour la compression de faibles débits volumétriques d'admission avec la condition de pertes de reflux les plus faibles possibles et surtout avec le moins de bruit possible se présentent tout particulièrement dans les étages qui suivent le premier étage de compression dans les installations de compresseurs â vis à plusieurs étages. Dans la plupart des cas, ces installations comportent deux étages de compression. Dans les installations de compresseurs à vis à deux étages connues, les diamètres des rotors du second étage sont en général égaux à la moitié environ des diamètres des rotors du premier étage. En conséquence, la vitesse de rotation des rotors du second étage est comprise, en général, entre 1,5 fois et 2 fois la vitesse de rotation des rotors du premier étage. I1 est facile de comprendre que les fortes différences mentionnées entre les caractéristiques de construction et qui tiennent compte des différences des débits volumétriques d'admission des deux étages agissent défavorm- blement, surtout parce que des bruits de compression importants sont produits dans le second étage de compression. Il se manifeste en outre d'autres inconvénients résultant des vitesses de rotation élevées dans cet étage de compression. Un problème tout à fait essentiel tient en outre à ce que le débit de sortie minimal est limité inférieurement par la construction des compresseurs à vis connus qui a été décrite plus haut. La présente invention a pour but de créer une installation de compresseurs à vis simple et efficace pour comprimer des milieux gazeux, de préférence avec de faibles débits volumétriques d'admission, à'aide de rotors disposés dans un carter, cette installation évitant les inconvénients des installations de compresseurs à vis connues. L'invention concerne à cet effet une installation du type ci-dessus caractérisée en ce que les rotors ont un diamètre extérieur (diamètre du cercle de tête) qui est grand par rapport au volume d'admission, le rapport du diamètre du cercle de tête au diamètre du cercle de pied étant choisi suffisamment faible pour obtenir une valeur de la section frontale des intervalles entre filets qui corresponde au volume d'admission. Il est alors avantageux que les profils des dents des rotors soient constitués pour que le rapport de la largeur des dents dans la zone la plus étroite à l'intervalle entre dents dans la zone la plus large ait une valeur élevée et, notamment, soit compris entre 0,5 et 1,5 pour le rotor femelle, en étant de préférence égal à 1 environ. Par ailleurs, en liaison avec la présente invention, on part du fait que les diametres des cercles de tête du rotor mie et du rotor femelle des deux rotors d'un compresseur à vis se correspondent au moins approximativement, de même que les diamètres des cercles de pied. L'invention est basée sur ce que, dans les compresseurs à vis connus, le rapport du diamètre du cercle de tête au diamètre du cercle de pied des rotors en prise mutuelle est déterminé par la condition de remplissage maximal possible des intervalles individuels entre filets avec un diamètre minimal des rotors. Effectivement, dans les compresseurs à vis connus, le rapport du diamètre du cercle de tête au diamètre du cercle de pied est maintenu à une valeur aussi grande que possible. Il est facile de voir que cela agit certainement dans un sens positif si l'on se place à un point de vue déterminé, à savoir en ce qui concerne la grandeur du compresseur à vis.D'autre part cependant, il se produit des pertes de reflux particulièrement élevées dans les compresseurs à vis connus par suite de l'interpénétration importante des rotors surtout pour les profils des dents du rotor femelle ayant des dents particulièrement étroites et, par suite, des chemins courts correspondants pour l'écoulement gazeux de fuite entre les intervalles entre filets individuels aussi bien suivant le pourtour du rotor que sur sa face frontale côté refoulement. L'invention s'écarte des rapports connus des diamètres de cercles de tête aux diamètres de cercles de pied des rotors en prise mutuelle, ce qui procure des avantages tout à fait essentiels pour la construction et le mode de fonctionnement des installations de compresseurs à vis conformes à l'invention, ces avantages étant précisés dans la suite. Avec un compresseur à vis conforme à l'invention, les faibles volumes d'admission ne sont pas obtenus simplement par réduction des diamètres des rotors, mais en conservant une valeur maximale possible pour ces diamètres en établissant un rapport réduit du diamètre du cercle de tête au diamètre du cercle de pied pour adapter la section frontale des intervalles individuels entre filets aux volumes d'admission considérés. Dans ces conditions, une installation de compresseurs à vis.conforme à l'invention permet la compression des milieux gazeux meme dans le cas des faibles débits volumétriques d'admission en évitant les pertes de reflux dans une très large mesure et avec une plus grande tranquillité de marche. I1 est effectivement facile de voir qu'avec un compresseur à vis conforme à l'invention, il ne se produit que de faibles pertes de reflux par suite de l'interpénétration plus faible des rotors et de la largeur relativement grande des dents ainsi que des chemins plus longs qui en résultent pour l'écoulement gazeux de fuite entre les intervalles individuels entre filets aussi bien suivant le pourtour des rotors que sur la face frontale de ces rotors côté refoulement. L'avantage d'une plus grande tranquillité de marche résulte du fait que la vitesse des rotors d'un compresseur à vis conforme à l'invention peut être relativement faible, d'autant plus que par suite de la valeur plus grande des diamètres extérieurs, la vitesse périphérique est suffisamment élevée. On comprendra que des vitesses de rotors plus faibles procurent en outre d'autres avantages, par exemple une plus faible dépense de construction du compresseur lui-mme, notamment en ce qui concerne les paliers des rotors et leur lubrification ainsi que les organes de commande et de transmission de couple. On obtient en outre une réduction du risque des perturbations de service. L'invention permet donc, notamment pour la fourniture de très faibles débits, d'atteindre des pressions de compression très élevées avec une faible dépense et même sans injection d'huile. Enfin, un compresseur à vis conforme à l'invention est particulièrement résistant par suite de sa plus grande robustesse par rapport aux compresseurs connus, compte tenu des sollicitations de service telles que flexion des rotors, vibrations du compresseur et sollicitations similaires. Les avantages de l'invention sont mis à profit de façon particulièrement favorable dans une installation de compresseurs à vis comportant plusieurs étages de compression, notamment deux étages, dans laquelle, conformément à l'invention, les rotors des deux étages ont essentiellement le mebme diamètre extérieur, le rapport des diamètres du cercle de tête et du cercle de pied des rotors du second étage étant, conformément au rapport des débits volumétriques des deux étages, inférieur au rapport des diamètres du cercle de tête et du cercle de pied des rotors du premier étage. Dans une telle installation de compresseurs, les conditions régnant dans le second étage de compression sont particulièrement améliorées par rapport aux conditions correspondantes des installations de compresseurs à deux étages connues. Il est en outre particulièrement avantageux que les rotors des étages de compression successifs soient entraînés à la même vitesse de rotation. On peut ainsi avoir une forme de réalisation avantageuse de l'invention dans laquelle les rotors des étages de compression successifs comportent des arbres d'entraînement disposés parallèlement, ces arbres étant entrainés par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission à engrenages cylindriques, par des engrenages de commande de même grandeur affectés aux étages de compression individuels. Suivant un autre exemple de réalisation également avantageux, les rotors de tous les étages de compression successifs ont un arbre d'entrainement commun. La description ci-après et les dessins annexés se rapportent à des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels La figure I est une vue de dessus d'une installation de compresseurs à vis à deux étages connue; - La figure 2 est une vue de dessus d'une installation de compresseurs à vis à deux étages conforme à l'invention; - La figure 3 est une vue en coupe à plus grande échelle du second étage de compression de l'installation de compresseurs à vis connue suivant la figure 1, la coupe étant effectuée suivant la ligne III-III, - La figure 4 est une vue en coupe à plus grande échelle du second étage de compression de l'installation de compresseurs à vis à deux étages conforme à l'invention et représentée sur la figure 2, la coupe étant effectuée suivant la ligne IV-IV;; - La figure 5 est une vue de dessus d'une autre forme de réalisation d'installation de compresseurs à vis à deux étages conforme à l'invention. D'une façon générales toutes les figures sont fortement schématisées pour des raisons de clarté. On ne voit sur ces figures que les éléments des installations de compresseurs à vis qui sont nécessaires pour la compréhension de l'invention, tous les autres éléments n'étant pas représentés. La figure 1 et la figure 2 représentent en regard une installation de compresseurs à vis à deux étages connue et une installation de ce type conforme à l'invention. Les rotors en prise mutuelle sont dans chaque cas disposés de façon usuelle dans un carter de compresseur non représenté. Le gaz à comprimer est déplacé dans la chambre de travail de chacun des étages de compression individuels. I1 est alors comprimé comme cela a été décrit dans le préambule. On comprendra que le gaz qui sort du côté du refoulement de chaque premier étage de compression est introduit, pour la suite de la compression, dans le côté basse pression de chacun des seconds étages de compression correspondants. Cela est également valable de façon similaire pour la forme de réalisation suivant la figure 5. L'installation de compresseurs-à vis connue représentée sur la figure I comporte un premier étage de compression A et un second étage de compression B. Le premier étage de compression A contient deux rotors en prise mutuelle 1, 2 qui présentent tous les deux le même diamètre extérieur D. Les axes de rotation des rotors 1 et 2 sont disposés à une distance a l'un de l'autre. Le second etage de compression B de l'installation de compresseurs à vis connue contient deux rotors en prise mutuelle 3, 4 qui presentent tous les deux le même diamètre extérieur d. En raison du volume d'admission plus faible dans le second étage de compression B, le diamètre d est inférieur au diamètre extérieur D des rotors 1 et 2 du premier étage de compression A. Les rapports du diamètre de tête (diamètre extérieur), par exemple d (figure 3), au diamètre de pied, par exemple e (figure 3), des rotors 1, 2 et 3, 4 sont relativement élevés et sont différents dans les deux étages A et B en accord avec les débits volumétriques d'admission différents dans ces deux étages. Il en résulte que les axes de rotation des rotors 3 et 4 du second étage de compression B sont à une distance bl inférieure à la distance a des axes dans le premier étage de compression A. Les deux étages de compression A et B comportent des arbres d'entraînement 5 et 6 disposés parallèlement, ces arbres étant entraînés par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission à engrenages cylindriques. Ces engrenages de commande 8 et 9 affectés respectivement aux arbres d'entraînement 5 et 6 se différencient par leur grandeur pour que la vitesse de rotation d'entrainement n2 du second étage de compression B soit plus grande que la vitesse de rotation d'entraînement nl du premier étage de compression A. Cette caractéristique de l'installation de compresseurs à vis connue résulte du fait que le diamètre des rotors d du second étage de compression B est inférieur au diamètre des rotors D du premier étage de compression A ainsi que, également de la condition d'une vitesse périphérique minimale dans le second étage de compression B, pour maintenir les pertes de reflux dans des limites acceptables. L'installation de compresseurs à vis conforme à l'invention et représentée sur la figure 2 comporte un premier étage de compression A et un second étage de compression B'. Pour permettre une comparaison visuelle du second étage de compression BW réalisé conformément à l'invention avec le second étage de compression correspondant B de l'installation de compresseurs à vis connue (figure 1), le premier étage A de l'installation conforme à 11 invention a exactement les mêmes dimensions et la même vitesse de rotation d'entraînement nl que le premier étage de compression A de l'installation connue représentée sur la figure 1. On suppose en outre que le problème de compression, cwest-à-dire le type et les propriétés du gaz à comprimer, le débit de refoulement ainsi que les pressions intermédiaire et finale prescrites sont les mêmes dans l'installation connue et dans l'installKtion conforme à l'invention. Le second étage de compression B', réalisé en particulier suivant l'invention et appartenant à l'installation de compresseurs à vis conforme à l'invention représentée sur la figure 2, contient deux rotors de même grandeur 10, 11, en prise mutuelle. Malgré le débit d'admission volumétrique réduit dans le second étage de compression Bt par rapport au débit correspondant dans le premier étage de compression A, le diamètre extérieur D des rotors 10 et 11 est, conformément à l'invention, relativement grand et correspond de préférence au diamètre D des rotors du premier étage de compression A. Conformément à-l'invention, le rapport du diamètre du cercle de tête.D au diamètre du cercle de pied E (figure 4) des rotors 10, 11 est relativement faible. I1 en résulte que la distance b2 des axes de rotation des rotors 10 et 11 est augmentée par rapport à une valeur minimale (par exemple bt sur la figure 1), de façon à avoir une section frontale entre intervalles individuels entre filets qui corresponde au volume d'admission du second étage de compression B'. Ces relations vont être expliquées de façon encore plus précise en se référant aux vues en coupe de- la figure 3 et de la figure 4. I1 faut cependant déjà dire à ce sujet que le maintien, conformément à l'invention, d'un diamètre de rotors D aussi grand que possible également dans le second étage de compression B' permet d'avoir également dans le second étage une vitesse périphérique suffisamment élevée sans qu'il soit nécessaire pour cela d'augmenter la vitesse de rotation dientraînement dans cet étage de compression. Si, en particulier, comme dans ltexemple de réalisation représenté, le diamètre D des rotors du second étage de compression B' est égal au diamètre des rotors du premier étage de compression A, les engrenages de commande 12 et 13 du mécanisme de transmission 14 de l'installation de compresseurs à vis conforme à l'invention peuvent avoir la même grandeur. Cela signifie que la vitesse de rotation d'entraînement nl dans les deux étages de compression A et B' d'une installation conforme à l'invention peut être avantageu- sement la même. I1 en résulte, par rapport à la vitesse de rotation d'entraînement n2, bien plus élevée, dans le second étage de compression B de l'installation connue (figure 1), d'autres avantages essentiels déjà mentionnés plus haut de façon détaillée.On a surtout une réduction des bruits dans le second étage de compression Bto Enfin, on mentionnera encore que le rapport du diamètre D du cercle de tête au diamètre E du cercle de pied (figure 4) des rotors 1, 2 et 10, li dans les deux étages A et Be est différent, de telle sorte que la distance entre axes b2 dans le second étage de compression B' est encore plus petit que la distance entre axes a dans le premier étage de compression A, conformément au débit volumétrique plus réduit dans ce second étage. Les figures 3 et 4 sont des coupes transversales representant respectivement les seconds étages de compression de l'installation connue et de l'installation conforme à l'invention 7 ces coupes étant disposées pour se correspondre. Conformément à la figure 3, les rotors 3 et 4 de l'installation de compresseurs ravis connue sont disposés dans un carter de compresseur 15 indiqué en trait mixte. Le diamètre d des rotors est relativement faible et la vitesse de rotation d'entraRnement n2 des rotors 3 et 4 est, en conséquence, élevée. Il est visible que le rapport du diamètre du cercle de tête d au diamètre du cercle de pied e est relativement grand, de telle sorte qu'on a une interpénétration relativement grande des deux rotors 3, 4. Les axes de rotation des rot ors 3 et 4 sont ainsi à une distance b1 relativement faible l'un de l'autre. Il en resulte des intervalles de grandeur déterminée 16, 17 entre filets pour le gaz à comprimer. Par ailleurs, la forte interpénétration des rotors 3 et 4 a surtout pour conséquence que la largeur Z des dents du rotor femelle 4 est particulièrement faible et que, par suite, les bords d'étanchéité 18 de ce rotor, frottant sur le carter 15, sont particulièrement étroits. Suivant la figure 4, les rotors 10 et 11 du compresseur à vis conforme à l'invention et prévu pour le même problème de compression sont disposés dans un carter 19 indiqué en trait mixte. Conformément à l'invention, on a un rapport de faible valeur entre le diamètre du cercle de tête égal au diamètre extérieur D des rot ors et le diamètre E du cercle de pied des rotors 10, 11. Dans le compresseur à. vis conforme à l'invention, le diamètre D des rotors est en conséquence notablement plus grand que le diamètre d des rotors du compresseur à vis connu (figure 3). I1 en résulte que le compresseur à vis conforme à l'invention peut etre entraîné à une vitesse de rotation nl réduite en conséquence.Malgré le diamètre D relativement grand des rotors, on a une section frontale des intervalles individuels 20, 21 entre filets correspondant au volume d'admission. En particulier, la somme des sections des intervalles 20, 21 entre filets du compresseur à vis conforme à l'invention correspond essentiellement à la somme des sections des intervalles 16, 17 entre filets du compresseur à vis connu représenté spr la figure 3. Cela résulte du fait que la distance entre axes b2 du compresseur à vis conforme à l'invention est augmentée par rapport à la distance entre axes bl du compresseur connu. La figure 4 montre en outre qu'on a une interpénétration plus faible des rotors 10 et 11 par suite de la distance entre axes b2 augmentée dans le compresseur à vis conforme à l'invention.Cette interpénétration plus faible intervient pour que, surtout pour le rotor femelle 11, la largeur Z2 des dents ainsi que, par suite, les bords d'étanchéité 22 qui frottent sur le carter 19, soient essentiellement plus grands que dans le compresseur à vis connu. I1 en résulte pour le compresseur à vis conforme à l'invention, malgré le grand diamètre des rotors, une forte réduction des pertes de reflux aussi bien suivant le pourtour des rotors que suivant leur face frontale côté refoulement. I1 est évident que cet avantage est mis à profit de façon optimale lorsque le profil des dents du rotor mâle 10 est constitué pour que l'on ait également des bords d'étanchéité de pourtour importants pour ce rotor. Cela n'est cependant pas visible en raison des possibilités de dessin réduites. La figure 5 représente une forme de réalisation de l'installation de compresseurs à vis conforme à l'invention modifiée par rapport à l'installation suivant la figure 2. Dans cette forme de réalisation, on a également un premier étage de compression A et un second étage de compression B' qui, en soi, correspondent aux étages de compression homologues de l'installation suivant la figure 2. En ce qui concerne ces détails, on renverra donc à la description relative à la figure 2. La différence essentielle de cette forme de réalisation par rapport à l'installation suivant la figure 2 consiste en ce que les deux étages de compression ont un arbre d'entraînement 23 commun ou au moins des arbres d'entraînement alignés.Cette caractéristique entraîne notamment une économie d'organes de -transmission de couple, notamment de mécanismes de transmission pour la commande de l'installation de compresseurs à vis. Elle permet d'obtenir en outre d'autres avantages. Avant tout, on peut ainsi choisir des valeurs égales pour le diamètre D des rotors et la vitesse de rotation d'entraînement nl du premier étage de compression A et du second étage de compression B'. D'une façon générale, on mentionnera encore que la description de l'invention a été faite en se référant à une installation de compresseurs à vis plusieurs étages, notamment à deux étages, uniquement à titre d'exemple ét pour mieux illustrer l'invention. Cela ne doit cependant pas limiter l'étendue de protection de l'invention. En effet, les avantages de l'invention sont mis à profit de façon fondamentale aussi pour les compresseurs à vis à un seul étage, Cela est particulièrement vrai, comme déjà mentionné, pour les volumes d'admission particulièrement faibles dont la compression à l'aide des compresseurs à vis connus ne serait pas possible par suite de leur construction spécifique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de I'invention. REVENDICATIONS 10) Installation de compresseurs à vis pour comprimer des milieux gazeux de préférence avec de faibles volumes d'admission, à l'aide de rotors disposés dans un carter, installation caractérisée en ce que les rotors (10, 11) ont un diamètre extérieur D (diamètre du cercle de tête) qui est grand par rapport au volume d'admission, le rapport du diamètre du cercle de tête au diamètre E du cercle de pied étant choisi suffisamment faible pour obtenir une valeur de la section frontale des intervalles (21, 22) entre filets qui corresponde au volume d'admission. 20) Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les profils des dents des rotors (10, 11) sont constitués pour que le rapport de la largeur (Z2) des dents dans la zone la plus étroite à l'intervalle (P2) entre dents dans la zone la plus large ait une valeur élevée, et, notamment, soit compris entre 0,5 et 1,5 pour le rotor femelle (11), en étant de préférence égal à 1 environ. 30) Installation suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2 et comportant plusieurs étages de compression, notamment deux étages, installation caractérisée en ce que les rotors (1, 2; 10, 11) des deux étages de compression (A, Bg) ont essentiellement le même diamètre extérieur (D), le rapport du diamètre (D) du cercle de tête et du diamètre (E) du cercle de pied des rotors (10, 11) du second étage (Bt) étant, conformément au rapport des débits volumétriques des deux étages (A, B') inférieur au rapport du diamètre du cercle de tête et du diamètre du cercle de pied des rotors (1, 2) du premier étage (A). 40) Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les rotors (2, 10) des étages de compression successifs (A, B') sont entraînés à la même vitesse de rotation (n1). 50) Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les rotors (2, 10) des étages de compression successifs (A, B) comportent des arbres d'entre nement (5', 6') disposés parallèlement, ces arbres étant entraînées, par l'intermédiaire dtun mécanisme de transmission à engrenages cylindriques (14) par des engrenages de commande (12, 13) de même grandeur affectés aux étages de compression individuels- (A, B'). 60) Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les rotors (1 > 10) de tous les étages de compression successifs (A, B')" ont un arbre d'entraînement commun (23).