Brevet FR2384968A1 — publié le 19781020

La présente invention concerne les machines hydrauliques volumiques, ou/et volumétriques1 notamment à haute pression. Il est: avantageux d'utiliser la présente invention pour la production des jets de liquide A basse viscosité s'coulant à grandes vitesses. En comparaison avec des procédés actuels, l'utilisation de tels jets pour le découpage et l'usinage des matériaux conformément a des dimensions prescrites, pour le découplage et la détérioration de roches et ouvrages monolithes, pour le nettoyage de différents Squipements métallurgique et chimique donne toute une série d'avantages tels que : augmentation de la productivité du travail, réduction de la quantité de matériau, amélioration des conditions du travail, réduction de la pollution du milieu environnant, etc. I1 est plus avantageux d'appliquer la présente invention pour enlever des pièces coulées la masse de moule, par exemple pour debar- rasser de la matière le noyau les cavités intérieures des aubes de turbine refroidies pendant leur utilisation. -Il convient de noter que lesdits cavités sont d'une grande étendue et caractérisées par de petites sections de passage et par une forme compliquée, Pour produire des jets de fluide basse viscosité s'écoulant aux hautes vitesses, il faut élever le niveau de pression. Cependant, un joint mobile d'étanchéité de contact, qui s'use rapidement sous ltaction de hautespressions de contact, proportionnelles à celles de travail, empoche d'élever le niveau de la pression de travail dans les pompes. En outre, de hautes pressions de contact du couple de frottement plongeur-garniture d'étanchéité entrainent un accroissement notable des forces de frottement, dont le travail se transformait totalement en chaleur ce qui conduisait a un échauffement intense des pie ces de la pompe, lequel provoque, son tour, un grippage et un coincement des parties mobiles et une détérioration de la garniture d'étanchéité, Dans le but d'augmenter la longévité de la pompe, on a applique des joints d'étanchéité sans contact. t'utilisation des dispositifs d'étanchéité à fente, ou intervalle,sans contact pour des fluides moteurs ordinaires d'une basse viscosit*, ne variant pas pratiquement par l'élévation de la pression (par exemple, l'eau), entraînait des pertes importantes de l'énergie à la suite de la fuite, à-la fente, d'une quantité déterminée de liquide moteur ce qui avait pour résultat la-baisse du rendement de la pompe. L'énergie de la quantité de fluide qui a fui se dégageait en forme de chaleur dans la zone du joint d'étanchéité en fente et provoquait ensuite un échauffement, un grippage et un coincement des parties mobiles de la pompe. On a supprimé ces inconvénients en utilisant dans les pompes à hautes pressions, au lieu d'un seul fluide moteur, deux fluides l'ua, dont les propriétés physiques sont nécessaires à la réalisation d'un processus technologique, et l'autre étanchéifiant ou d'étanchéité, possédant une viscosité plus élevée qui augmente avec l'accrois3ement de la pression. (Brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3602613). Cette pompe à haute pression, dans laquelle on utilise deux fluides de différentes vlscosités, comporte un corps à l'intérieur duquel est placé un plongeur mobile limitant l'enceinte reliée à la source de fluide moteur et a l'appareil consormateurp a travers des soupapes de retenue. Le plongeur et le corps forment l'autre enceinte, mise en communication avec la source de fluide étanchéifiant, a travers les orifices radiaux pratiqués dans le corps.Cette enceinte est reliée par un dispositif d'étanchéité à fente, formé par un intervalle annulaire entre le plongeur et le corps, d'une part,vers une enceinte de fluide 'acteur et, d'autrr, part, par l'itermédiaire de l'autre dispositif d'étanchéité ménageant un intervalle annulaire entre le plongeur et le corps a l'atmosphère. La pression de la source de fluide étanchéifiant dépasse la pression de refoulement de la pompe. Lorsque le plongeur est en va-et-;ient dans le corps, le fluide moteur passe par les soupapes d'admission et de refoulement et arrive sous une pression requise b un appareil consommateur. Depuis la source le fluide étanchéifiant, sous pression supérieure & celle du fluide moteur, est amené constawment à travers un orifice radial du corps dans l'enceinte contenant le fluide étanchéifiant et échappe à l'atmosphère par les fentes, et pénètre dans l'enceinte contenant le fluide moteur en isolant le fluide moteur de l'atmosphère et assurant le graissage des couples de pinces en frottement, Les inconvénients principaux de cette conception sont - la nécessité de prdvoir une source ou alimentation conplémentaire de fluide étanchéifiant sous pression supérieure à celle de service de la pompe ce qui conduit en outre à des pertes supplémentaires d'énergie;; - la pénétration d'une quantité notable de fluide étanchéifiant dans le fluide moteur, ce qui implique soit l'utilisation des fluides dont les propriétés sont similaires a celles des fluides de travail, soit l'application d'un dispositif auxiliaire pour séparer le fluide étanchéifiant du fluide moteur; - ltéchappement du fluide étanchéifiant vers l'atmosphre et ensuite son retour dans enceinte de fluide étanchéifiant nécessite des dépenses complémentaires de l'énergie; - le refroidissement insuffisant des couples d'éléments -en frottement, car le plongeur se déplace dans la zone de deux dispositifs d'étanchéité en feinte.Cette particularité est surtout importante dans le fonctionnement de pompes rapides; et - un encombrement notable de la pompe car la présence des fentes~dlétanchéité augmente sensiblement la longueur. Dans une autre conception connue de la pompe à haute pression, on a réussi à supprimer partiellement les inconvénients précitée. (Brevet français 2164332). Cette-conception comporte un corps abritant un plongeur mobile délimitant la chambre, un élément de séparation pouvant ae déplacer coaxialement au plongeur et divisant la chambre en deux enceintes essetiel- lement isolées l'une dé l'autre. L'une des enceintes est mise en commuhication avec une source de fluide moteur et avec un appareil consommateur travers les soupapes de retenue tandis que l'autre enceinte est reliée, d'une part, avec la source de fluide étanchéifiant à basse pression, par l'intermédiaire > d'une soupape de retenue, et > d'autre part, a l'atmosphère en traversant un joint d'étanchéité fente, -en forme d'intervalle annulaire,ménagé entre le plongeur et le corps de la pompe, Le corps de la pompe comporte dans son enceinte de fluide étanchéifiant, une butee destinée limiter le déplacement de l'élément de séparation pendant la course d'admission. En tant que sources a basse pression des fluides moteur et btanchéifiant, on utilise des pompes b basse pression alimentées b partir des réservoirs. Pendant le mouvement de va-et-vient du plongeur dans le corps, le fluide moteur circule à travers les soupapes de retenue d'admis- sion et de refoulement et arrive à l'appareil consommateur soue une pression requise. A partir du plongeur de la pompe, la pression est transmise au fluide moteur par l'intermédiaire du fluide étanchéifiant et de l'élément de séparation. Au temps de refoulement de la pompe, la soupape de retenue d'admission se ferme et la soupape de retenue de refoulement s'ouvre an assurant ainsi l'arrivée du fluide moteur à l'appareil consommateur sous une pression requise. A ce moment, la soupape de retenue reliant l'enceinte de fluide étanchéifiant à la pompe à basse pression, est fermée. L'élément de séparation se déplace coaxialement au plongeur dans la même direction, mais A une vitesse plus lente qui dépend du débit déterminé de fluide étanchéifiant à travers un raccordement d'étanchéité à fente, ou intervalle, vers l'atmosphère. En conséquence, 11 élément de séparation au temps de refoulement se rapproche du plongeur de la pompe. Au temps d'admission, la soupape de retenue de refoulaient se ferme alors que la soupape d'admission s'ouvre, A partir de la pompe, le fluide moteur, sous une pression supérieure à celle de la pompe à fluide étanchFifiant, parvient à l'enceinte de travail en assurant le déplacaient de l'élément de séparation dans une direction conjointement avec le plongeur. Pendant le temps d'admisslont le mouvaient de l'élément de séparation est limité par une butée solidaire du corps et logée dans l'enceinte de fluide étanchéifiant. Lorsque l'élément de séparation est arrêté par la butée, le plongeur continue son mouvement. A ce moment, la soupape de retenue, reliant l'enceinte de fluide étanchéifiant à la pompe3 s'ouvre et l'enceinte est remplie alors d'une quantité déterminée dé fluide étanchéifiant an- compensant ainsi sa fuite à travers l'étanchéité a fente pendant le temps de refoulement. Ensuite, le cycle recommence. Les inconvénients principaux de cette conception de la pompe restent - l'absence du refroidissement des couples d'éléments de frottement car le plongeur est isolé par une cloison de séparation du fluide moteur dont les paramètres et les propriétés sont supérieurs au point de vue de l'échange de chaleur, à ceux du fluide étanchéifiant; - l'échappement du fluide étanchéifiant à l'atmosphère nécessitant des dépenses complémentaires d'énergie pour le pomper dans l'enceinte à fluide étanchéifiant;; - l'élévation de la pression de la pompe à basse pression du fluide moteur, en comparaison avec la pompe à- fluide étanchéifiant car l'élément de séparation revient dans la position de départ, pendant la course d'admission sous la pression du fluide moteur, jusqu'à la disposée dans l'enceinte à fluide étanchéifiant, ce qui nécessite de dépenser une- énergie complémentaire. Le but de la présente invention est éliminer les inconvénients mentionnés. On s'est posé le problème de mettre au point une pompe à haute pression dans laquelle on pourrait réduire les pertes de l'anergie et augmenter la fiabilité de son fonctionnement grâce à la disposition de l'élément de séparation et de la butée limitant son déplacement, ainsi que gr ce à l'utilisation de l'énergie du fluide étanchéifiant. Le problème posé est résolu par le fait que, dans la pompe à haute pression comportant un corps abritant un plongeur mobile délimitant la chambre, un élément de séparation pouvant réaliser les mouvements et divisant la chambre en deux enceintes essentiellement isolées l'une de l'autre et dont l'une est mise en communication avec la source de fluide moteur et avec l'appareil consommateur par l'intermédiaire des soupapes de retenue, tandis que l'autre est reliée la la source de fluide étanchéifiant sous basse pression, d'un coté, b travers une soupape de retenue et, de l'autre coté, à travers un dispositif d'étanchéité en fente formée d'un intervalle annulaire ménagé entre le plongeur et le corps, et une butée destinée à limiter le déplacement de l'élément de séparamtion pendant la course d'admission et raccord rigidement au corps, conformément à l'invention, l'élément de séparation est placé coaxialement au plongeur tandis que la butée, limitant le déplacement de l'élément de séparation pendant la course d'admission, est placée dans l'enceinte reliée à la source de fluide moteur. ta disposition de l'élément de séparation,coaxialement au plongeur, donne la possibilité d'assurer le contact d'une surface notable du plongeur avec le fluide moteur qui, pendant le fonctionnement de la pompe, refroidira en cycle le plongeur, chauffé dans 15 zone du raccord d'étanchéité à fente, par suite de la transformation de l'énergie des fuites de fluide étanchéifiant à l'intervalle en fente en chaleur ainsi que grâce aux forces de viscosité du frottement du fluide étanchéifiant. Le refroidissement d'une surface considérable du plongeur assure un fonctionnement fiable pendant une longue période de la pompe et on nta plus besoin de faire appel à des moyens complémentaires de refroidissement ce qui est surtout important pour les pompes rapides d'une grande puissance (500 kW et davantage). La disposition de la butée limitant le déplacement de 11 élément de séparation pendant la course d'admission dans enceinte de fluide moteur assure la possiblité d'utiliser, pour le rappel de l1élément de séparation sur la position de départ donc jusqu'à la butée,le fluide étanchéifiant au lieu du fluide moteur et drutiiiser, par par-consequent, le fluide moteur sous une pression inférieure à celle du fluide étanchéifiant. Dans ce cas, on détermine la pression minimale de la source de fluide moteur comme la pression nécessaire pour vaincre les résistances et les forces d'inertie du fluide. Il convient de noter que, dans certains cas, on peut ne pas utiliser la pompe à basse pression. Ainsi, on réduit les pertes d'énergie on simplifie la conception de la commande de la paspe, et on abaisse son prix. En tant que source de fluide étanchéifiant A basse pression, il est recommandé d'avoir recours à un accumulateur hydropnet & matique dans lequel l'énergie est accumulée pendant la course de refoulement gracie à l'arrivée dans celle-ci du fluide étanchéifiant, depuis l'enceinte de ce fluide à travers un raccord d'étanchéité à fente, et utilisée pendant la course d'admission pour le remplissage de l'enceinte de fluide étanchéifiant à travers une soupape de retenue. Ayant utilisé un accumulateur hydropneumatique au lieu d'une pompe à basse pression de fluide étanchéifiant, on a réduit la consommation totale de llénergie, on a simplifié la conception et la commande de la pompe à haute pression ce qui contribue à l'élévation de la fiabilité de son fonctionnement et abaisse son prix. Il est avantageux de réaliser l1élément de séparation en forme d'une douille annulaire, dont la surface entrant en contact avec le plongeur est sensiblement inférieure à la surface de contact avec le corps. Cela donne la possiblité de compenser les défauts de la fabrication des pièces et d'augmenter la surface du plongeur refroidie par le fluide moteur, ce qui conduit à un meilleur refroidissement du - plongeur. En conséquence, la fiabilité est accrue, de même que la durée de service des pièces de la pompe. Il est possible de réaliser également l'élément de séparation en forme d'une membrane souple et la butée en forme dtune douille annulaire encerclant le plongeur, dans cette douille étant alors pratiquée des orifices radiaux dont le nombre est choisi en partant de la condition selon laquelle la résistance du-fluide moteur doit atre minimale. De la sorte, on augmente la sensibilité de l'élément de séparation à la variation de la pression de fluide moteur et on abaisse la différence de pression entre le fluide moteur et le fluide étanchéifiant et on prolonge en définitive la longévité des pièces de la pompe. La pompe à haute pression, réalisée conformément à l'invention,-est une pompe horizontale à trois plongeurs à simple effet. le diamètre de son plongeur est de 40 mm et sa course est de 200 mm. Au nombre maximal de courses doubles par minute égal à 153 courses par minut* la pompe développe une pression de 2000 kgf/cm et le débit théorique de fluide moteur atteint 1,7 1/8, compte tenu de sa compressibilité.En qualité de fluide moteur, on utilise l'eau,soit une émulsion sous pression d'admission de 8,7 kgf/cm2 et en tant-que fluide étancheif-iant, on utilisa une huile minérale lourde sous une pression, dans l'accumulateur hydropneumatique, atteignant 25 kgf/cm. Le régime de fonctionnement est constant, Les cotes d'encombrement de la pompe, sans réducteur ni moteur, sont longueur - 250 mm > largeur - 1135 mma hauteur - 1100 mm. En tant que transmisaion d'entratnement des plongeurs, on utilise la partie d'entraina- ment de pompes fabriquées en série. D'autres objets et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples préférés de réalisation1 en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schXmatiquement une pompe a haute pression avec un élément de séparation coaxial et avec une butée dans l'enceinte de -fluide moteur conformément l'invention en coupe longitudinale; - la figure 2 est une coupe analogue à la figure 1, la pompe à haute pression étant- dotée d'un accumulateur hydropneumatique de fluide étanchéifiant conforme à l'invention;; - la figure 3 est une coupe analogue d'une variante de réalisation de la pompe, avec un élément de séparation exécuté en forme d'une douille annulaire; et - la figure 4 est une coupe analogue d'une autre variante de réalisation de l'élément de séparation, réalisé en forme de membrane souple. On donne ci-après la description d'une variante concrete de réalisation de la pompe å haute pression. La pompe haute pression comporte un corps 1 (figure 1), v l'intérieur duquel sont logés un plongeur, déplacé selon n'importe quel procédé, un élément de séparation 3 monté coaxialement gu plongeur 2 et divisant la chambre entre le plongeur 2 et le corps 1 en deux enceintes A et B, Ces enceintes A et B sont isolée l'une de l'autre par des joints d'étanchéité 4 agencés sur l'élément de séparation 3.L'enceinte A est reliée, d'une part, par un canal radial 5 pratiqué dans le corps 1 , a travers une soupape de retenue 6, vers la conduite de refoulement de la source 7 de fluide étanchéifiant et, d'autre part, A travers un dispositif d'étanchéité a fente 8 forme d'un intervalle annulaire, ménagé entre le plongeur 2 et le corps 1, par le canal radial 9 pratiqué dans le corps 1; l'enceinte est mise en communication avec la conduit. d'admission de la source 7. Dans le but d'éliminer les pertes du fluide étenchéifiant vers l'atmosphbre, on a prévu un joint d'étanchéité X la sortie du plongeur 2 du corps 1.L'enceinte B est reliée par un canal 11 ainsi dans le coups 1 et 8 travers une soupape de retenue 12, v la source 13 de fluide n4teur, ainsi que par un canal 14, ménagé dans le corps 1 et a travers une soupape de retenue 15, b un appareil consoonateur (non représenté sur la figure). L1êlément de séparation 3 peut se déplacer mais son mouvement > pendant la course d'admission dans la direction de l'enceinte B de fluide moteur, est limité par une butée 16 solidaire du corps 1 et agencée dans l'enceinte B de fluide moteur. Pendant le mouvement du plongeur 2, correspondant å la course de refoulement, la soupape de retenue 12 et la soupape de retenue 6 se ferment et, lorsque le fluide moteur atteint dans l'enceinte B une pression diterzinée, la soupape de retenue 15 s'ouvre en laissant s'écouler le fluide moteur vers appareil consommateur. La pression de fluide moteur dans l'enceinte B est transmise par l'élément de séparation 3 b l'enceinte A de fluide étanchéifiant.La pression de fluide moteur dépanne la pression de fluide étanchéifiant d'une valeur résultant uniquement de l'inertie de l'élément de séparation 3 et du frottement des joints 4 de contact tanche placés sur l'élément de séparation 3, Sous l'action de la pression voisine de la pression de travail le fluide étanchéifiant se déplace de l'enceinte A à travers le dispositif d'étanchéité à fente 8, un canal radial 9 ménagé dans le corps 1, vers la conduite d'admission de la source 7. A ce moment, l'élément de séparation 3 se déplace, dans la direction opposée au mouvement du plongeur 2, d'une valeur du volume comprimé de l'enceinte A et d'une valeur du volume de la quantité de fluide étanchéifiant qui fuit à travers l'intervalle d'étanchéité 8 pendant une course de refoulement. Pendant le mouvement du plongeur 2, correspondant b la course d'admission, la soupape de retenue 15 se ferme alors que les soupapes de retenue 12 et 6 slouvrent. Le fluide moteur remplit l'enceinte B, Du fait que la pression de la source 7 de fluide étanchéifiant est supérieure å la pression de la source 13 de fluide moteur, l'élément de séparation 3 se déplace sn direction de l'enceinte B jusqu'à la butée 16, en prenant la position de départ. Ensuite, le cycle recommence. Selon une autre variante de réalisation, représenté. sur la figure 2 la pompe a haute pression comporte des éléments principaux analogues à ceux de la réalisation décrite ci-dessus, à l'exception pres de la source de fluide taffoheifiant à basse pression, qui est alors un accumulateur hydropneumatique 17 qui sert à accumuler l'énergie, pendant la course de refat- lement, cette énergie. étant ensuite restituée pendant la course d'admission. Le fonctionnement de la pompe à haute pression, représentée sur la figure 2, est sensiblement identique à celui de la pompe décrite ci-dessus avec la figure 1. Dans ce cas, la pression de fluide étanchéifiant dans l'accumulateur 17, dépasse la pression de la source 13 de fluide moteur. Pendant la course de refoulement, le fluide étanchéifiant est déplacé de l'enceinte A, ê travers l'intervalle d'étanchéité 8 et le canal radial 9, vers l'accumulateur 17 en augmentant le volume du fluide étanchéifiant, le gaz contenu dans l'accumulateur 17 est augment de pression. Pendant la course d'admission, le mante volume de fluide étanchéifiant revient de l'accumulateur 17 à travers la soupape de retenue 6 et le canal 5, vers l'enceinte A du fait que lélément de séparation 3 est bloqué sur la position de départ, c'est-à-dire la position voisine de la butée 16. La figure 3 représente une variante de réalisation de l'élément de séparation qui est en forme d'une douille annulaire 18, dont la surface 19 en contact avec le corps 1 est aensiblement inférieure à la surface 20 en contact avec le plongeur 2, n'étant nécessaire que pour assurer le fonctionnement des joints d'étanchéité4. Cette conception de l'élément de séparation coaxial 20 supprime l'effet des erreurs de fabrication des pièces et assure pendant son fonctionnement un accroissement de la surface du plongeur 2, refroidie par le fluide moteur dans l'enceinte B. Sur la figure 4, on donne une variante de réalisation de l'élément de séparation en forme d'une membrane 21. Les extrémités de la membrane 21 sont fixées à l'aide des anneaux 22 dans la douille 23 qui fait office de butée et est disposée dans le corps 1. Cette douille 23 possède des orifices radiaux 24, un joint dlétancheité fixe 25 et un joint d'étanchéité mobile 26. Sur la face de la douille 23 sont ménagées des rainures 27 servant à mettre en communication l'enceinte A de fluide étanchéifiant avec l'intervalle d'étanchéité 8. Le nombre d'orifices 24 est choisi en partant de la condition selon laquelle on doit assurer une résistance minimale du fluide moteur. Pendant la course de refoulement, le fluide moteur pénètre de l'enceinte B, à travers -les orifices radiaux 24 ménagés dans la douille 23 au-dessous de la membrane 21 et la dilate de la valeur du volume comprimé du fluide étanchéifiant dans l'enceinte A et du volume équivalant à la quantité de fluide étanchéifiant s'écoulant à travers le joint en fente 2, Pendant la course d'admission, du fait que la pression de fluide étanchéifiant est supérieure à la pression de la source 13 de fluide moteur, la membrane 21 revient dans la position de départ jusqu' la butée dont la fonction est remplie par la surface extérieure de la douille 23. L'enceinte A est remplie du fluide étanchéifiant. Ensuite, le cycle recommence. REVENDICATIONS 1. Pompe à haute pression comprenant un corps sbritant un plongeur mobile délimitant la chambre, un élément de séparation pouvant réaliser les mouvements et divisant la chambre en deux enceintes sensiblement isolées l'une de l'autre dont l'une est mise en communication avec la source de fluide moteur et avec un appareil consommateur, par l'inter médiaire des soupapes de retenue tandis que l'autre est reliée à la source de fluide étanchéifiantsous basse pression, d'un côté 8' travers une soupape de retenue et de l'autre cbté à travers un dispositif d'étanchéité à fente formé par l'intervalle annulaire ménagé entre le plongeur et le corps, et une butée destinée à limiter le déplacement de l'élément de séparation pendant la course d'admission et raccordé rigidement au corps, cette pompe tant caractérisée par le fait que l'élément de séparation est placé coaxialement -au plongeur tandis que ladite butée est placée dans l'enceinte reliée à la source de fluide moiteur. 2. Pompe A haute pression conforme à la revendication 1 et caractérisée par le fait que l'élément de séparation est réalisé ;n forte de douille annulaire, dont la surface entrant en contact avec le plongeur est sensiblement inférieure à la surface entrant en contact avec le corps de la pompe. 3. Pompe à haute pression conforme à la revendication 1, et caractérisée par le fait que l'élément de séparation est formé d'une membrane souple tandis que la butée est formée d'une douille encerclant le plongeur et à laquelle sont fixées les extrémités de la membrane alors que la surface extérieure de cette douille sert à limiter le déplacement de la membrane souple pendant la course d'admission,des des orifices radiaux etant ménagés, en nombre déterminé par la condition selon laquelle on doit assurer une résistance maximale du fluide moteur. 4. Pompe à haute pression conforme à la revendication 1, et caractérisée par le fait qu'en tant que source de fluide étanchéifiant A basse pression on utilise un accumulateur hydropneumatique dans lequel l'énergie est accumulée pendant la course de refoulement, du fait que le fluide étanchéifiant lui arrive depuis l'enceinte de fluide étanchéifiant travers un raccord d'étanchéité en fente ou intervalle, étant restitué pendant la course d'admission pour remplir enceinte de fluide étanchéi- fiant, à travers la soupape de retenue.