Brevet FR2358569A1 — publié le 19780210

La présente invention concerne une pompe haute pression a débit variable. Dans la technique de nettoyage hydrodynamique,dans la technique du soutènement hydraulique,dans le fonctionnement des presses hydrauliques,dans l'ingéniérie pour les opSra-tions diverses nécessitant des pompages,dans les techniques d'homogénsisation ou similaires, on utilise des pompes, haute pression dont le rapport pression/débit reste fixe.Pour une vitesse d'entraiuement constante de ces pompes, le débit est donc déterminé, et une nto- dification du débit est seulement rendue possible par une variation de la vitesse d'entratnement.C'est pourquoi on prévoit en règle générale une soupape de by-pass, à travers laquelle le débit non utilisé,après annulation de sa pression, s'écoule en s'échauffant et revient dans la chambre d'aspiration. Lors du mouvement d'avance des presses,lors de la mise en tension de tôles de protection contre le toit des galeries,lors du déplacement d'un soutènement hydraulique ou d'une machine d'abatage hydraulique,dans les mines, il y a des phases de fonc- tionnement à vide au cours desquelles les cylindres des verins de poussée doivent être remplis de fluide hydraulique,les seuls efforts à vaincre étant alors les résistances de frottement.Pour que ces phases aient des durées assez courtes, il est nécessaire de disposer de débits élevés durant leur déroulement. Après un mouvement d'approche rapide a lieu la montée en pression Jusqu'à la pression d'appui désirée, dans la technique du soutenement hydraulique; cette pression d'appui,par exemple de l'ordre de 400 a' 500 bars, doit être maintenue pendant une durée relativement longue,au cours de laquelle seuls aes débits faibles sous haute pression sont nécessaires. Pour ce genre d'applications on utilise de préférence des pompes i déplacement, en raison de leur rendement favorable. Ces pompes doivent être,du point de vue de leur puissance d'entraînement, mises en oeuvre de telle manière que le moteur d'entraSneaent soit en mesure de fournir le plein'débit pour la pression maximale. Ceci impose l'installation d'une puissance d'entrafneaent relativement importante, impliquant des sections de conduites élevées et des éléments de commande comateux. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et son but est donc de réaliser une pompe haute pression du genre indiqué ci-dessus telle que,pour un cott de fabrication réduit, le débit puisse être diminué sous une forte pression et qu'il suffise d'une puissance relativement faible pour en trapues la pompe. À cet effet, l'invention a pour obJet une pompe haute pression à débit variable qui comprend un organe séparateur soumis à l'action d'un ressort et monté mobile, séparant une chambre à ressort de la chambre de refoulement de la pompe munie d'un clapet d'aspiration et d'un clapet de refoulement,ledit organe séparateur étant soumis, du caté opposé au ressort,à la pression régnant dans la chambre de refoulement précitée,et étant déplaçable à l'encontre de l'action du ressort pour une pression déterminée à l'intérieur de la chambre de refoulement, tandis que la vitesse d'entranement de la pompe reste constante. Dans une forme d'exécution avantageuse de la pompe haute pression selon l'invention, le ressort précité est réalisé sous la forme d'un ressort pneumatique. Cette pompe haute pression refoule le plein débit théorique Jusqu'à ce que s'établisse à l'intérieur de sa chambre de refoulement, par suite de l'augmentation des résistances, une pression qui excède la pression du gaz dans le ressort pneumatique. Si la pression du fluide pompé dépasse la pression du gaz, le gaz est comprimé dans le ressort pneumatique Jusqu a ce que s'établisse une pression d'équilibre. Suivant l'agencement de la chambre à ressort, aucun débit ou seulement un faible débit est refoulé à travers le clapet de refoulement lorsque l'organe séparateur est sollicité dans la chambre à ressort et est déplacé à l'encontre de la pression régnant dans cette chambre à ressort. L'énergie qui est emmagasinée dans la chambre à ressort au cours de ce processus est restituée à l'arbre d'entraînement de la pompe lors de la course de retour du plongeur,par suite de la détente du coussin de gaz,et elle soulage l'arbre d'entratnement des efforts de torsion. En raison de ce qu'une pression élevee est maintenue dans la chambre de refoulement de la pompe lors de la course de retour du plongeur, grâce au ressort pneumatique, le clapet d'aspiration reste d'abord fermé et il ne s'ouvre que dans la dernière partie de la course de retour du plongeur.De ce fait un nouveau débit réduit est aspiré. Le mode de réalisation selon l'invention est remarquable par l'économie d'énergie importante qu'il procure. Pour un débit de 130 1/mn et une pression maximale de 450 bars, la puissance d'entra4nement nécessaire est d'environ 150 ch. En admettant que la pression du ressort pneumatique est de 150 bars, les deux tiers de la course d'avance du plongeur de la pompe peuvent être par exemple utilisés pour compri- mer le gaz jusqu'à 450 bars, de sorte que sur un tiers seulement de la course d'avance du plongeur le fluide est refoulé à une pression de 450 bars. L'énergie emmagasinée dans la chaire à ressort est restituée à l'arbre d'entrainement de la pompe pendant la course de retour du plongeur qui suit la course d'avance considérée. Dans cet exemple de réalisation il est ainsi possible avec une dépense d'énergie correspondant à un débit de 43 1/mon, sous une pression de 450 bars, de se contenter d'une puissance d'entraînement de 50 ch. Les chocs dûs à la cavitation sont amortis par l'organe séparateur soumis à l'action du ressort, de sorte que la pompe haute pression selon l'invention présente une grande insensibilité aux chocs de cavitation. De toute façon, l'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques seront mises en évidence, à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes d'exécution de cette pompe haute pression Figure 1 est une vue partielle,en coupe, d'une pompe à plongeur haute pression selon l'inventionsdans laquelle la chaabre à ressort est disposée dans la tête de pompe et dans laquelle le clapet d'aspiration comporte un obturateur réalisé sous la forge d'un fourreau monté flottant autour du piston plon 8aux; Figure 2 représente une variante de la forme de réalisa- tion selon la figure 1, dans laquelle la chambre à ressort se trouve placée en regard du piston plongeur; ; Figure 3 montre un piston plongeur creux avec sa crosse de piston,vu en coupe longitudinale, l'intérieur du piston plongeur creux renfermant le ressort pneumatique,lequel coopère avec une colonne de fluide hydraulique Figure 4 est une autre vue en coupe du dispositif représenté sur la figure 3, montrant le piston plongeur dans une position différente Figure 5 représente, vue en coupe, une autre pompe à plongeur haute pression selon l'invention, munie d'un piston plongeur creux à l'intérieur duquel est prévu un ressort pneumatique; Pigure 6 est une vue en coupe et à échelle agrandie du piston plongeur de la pompe selon la figure 5; Figure 7 représente,vue en coupe, la tête de pompe d'une autre forme d'exécution possible de la pompe selon l'invention. La pompe haute pression représentée sur la figure 1 comprend un corps 1dans lequel est monté coulissant un piston plongeur 2,eatrafné alternativement par l'intermédiaire d'une crosse de piston et d'un mécanisme bielle-manivelle non représentés. Autour de ce piston plongeur 2 est monté,de manière flottante, un fourreau 3 formant l'obturateur du clapet d'aspiration, soumis à l'action d'un ressort 4 qui prend appui sur le corps de pompe I et tend à maintenir le fourreau 3 formant obturateur dans sa position de fermeture, qui est celle représentée sur la figure a.Le fourreau 5,qui est lui-même entouré par la chambre d'aspiration 5, délimite également une partie de la chambre de refoulement,dont la partie restante 6 est ménagée dans la tette de pompe ?,contre laquelle s'applique la face terminale du fourreau 3. La teste de pompe 7 et le corps de pompe 1 sont accolés et assemblés suivant un plan de joint 8. La chambre de refoulement 6 est délimitée en outre,du côté du départ du fluide,par un clapet de refoulement 9.Dans la chambre de refoulement 6 débouche un canal 10,dans lequel est engagé, en position de repos et comme le montre la figure 1, un téton Il se rétrécissant en forme de cône vers l'avant et solidaire d'un piston 12. Ce piston 12 est monté coulissant à l'intérieur d'un manchon 13 formant cylindre,dont l'extrémité inférieure comporte un filetage 14 qui est vissé-dans un taraudage complémentaire de la teste de pompe 7. La face terminale du manchon 13 est étanchée par un joint annulaire 15.L'intérieur du manchon 13 est rempli d'un gaz appropriéXpar exemple d'un gaz azoté,pouvant être introduit à une pression de 120 à 150 bars. Le volume gazeux correspond ici sensiblement au volume de déplacement du piston plongeur 2 lors de sa course,tandis que la pression d'introduction du gaz représente un quart à Un tiers de la pression maximale pouvant être fournie par la pompe. Dans l'exemple considéré,cette pression maximale est de 450 bars. Lorsqu'unie pression de fluide s'établit, en cours de fonc tionnement, dans la chambre de refoulement 6, et que cette pression dépasse la pression d'introduction du gaz qui constitue un ressort pneumatique, le piston 12 est poussé vers l'intérieur de la chambre à resssort et il comprime le gaz dans cette chambre, jusqu'à une pression plus élevée,par exemple de 450 bars. En conséquence, d'une part,le débit de a pompe haute pression est considérablement diminué et,d'autre part, énergie emmagasinée dans la chambre à ressort est restituée à l'arbre d'entratne ment de la pompe lors de la course de retour du piston plongeur 2. La variante de réalisation selon la figure 2 se distingue tout d'abord de la forme d'exécution selon la figure 1 par le fait que le clapet d'aspiration 16 est entièrement séparé du plongeur 17 et que le manchon fileté 13 prend appusur une bague 18 qui est insérée dans la tête de pompe et qui obture de façon étanche la chambre de refoulement 6 grâce à un joint 19. Par ailleurs,dans l'exemple ici décrit, le clapet de refou lement 20 se trouve placé en regard du clapet d'aspiration 16, l'axe commun au clapet d'aspiration et au clapet de refoulement s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal du plongeur 17. Dans les deux exemples de réalisation selon les figures 1 et 2, le ressort pneumatique formé à l'intérieur du manchon 13 est obtenu par introduction du gaz à travers une ouverture 21 dudit manchon, apte à être obturée par une vis 22 ou tout au tre moyen similaire. Tandis que dans les formes d'exécution décrites jusqu'ici les pistons 12 des ressorts pneumatiques sont soumis à la pression régnant à l'intérieur de la chambre de refoulement de la pompe, et que les pompes décrites fonctionnent à vitesse invariable et avec une course de piston constantesil est décrit ci-aprèg en référence aux figures 3 et 4, une autre forme d'exécution dans laquelle la vitesse reste certes constante mais où la course du piston est variable. Dans cette forme de réalisation représentée par les figures 3 et 4,il est prévu un piston plongeur creux 30 qui est monté coulissant sur une cheville 32 fixée à la crosse de piston 31. La chambre à ressort 33, qui est remplie d'un gaz sous une pression déterminée, a son extrémité tournée vers la cheville 32 obturée par une paroi de séparation 34 réalisée sous la forme d'un chapeau monté coulissant,qui sépare la chambre à ressort d'une colonne de fluide hydraulique. L'huile qui forme cette colonne de fluide hydraulique emplit des alésages 35 et 36 creuses dans la cheville 32, ainsi que la chambre annulaire 37 formée entre la cheville a et la crosse de piston 31. Lors du fonctionnement de la pompe dans le domaine des basses pressios, le piston plongeur 30 occupe la position représentée sur la figure 3. La cheville 32 présente à son extrémité libre une collerette 38 qui sert alors-de butée pour un épaulement intérieur 39 formé à l'extrémité du piston plongeur creux 30 engagée dans la crosse de piston 31. Si une pression plus élevée règne dans la chambre de refoulement de la pompe, le gaz placé dans la chambre à ressort 33 est comprimé, et l'huile est poussée hors de la chambre 37 pour pénétrer, en passant à travers les canaux formés par les alésages 36 puis 35,dans la chambre qui est délimitée par la paroi de séparation 34, la paroi latérale du piston plongeur 30 et la face terminale de la cheville 32. La position de compression maximale du gaz correspond à la représentation de la figure 4. Par le choix du rapport des sections FI de la chambre consi dégrée en dernier lieu et B2 de la chambre 37,on peut déterminer la courbe caractéristique de la variation de pression en fonction de la variation de course du piston. Dans l'exemple représente, le rapport F1/ F2 est égal à 1/2. L'introduction du gaz dans la chambre à ressort 33 est réalisée à travers une valve de remplissage 40 qui est disposée sur la pièce d'extrémité avant 41 du piston plongeur 30. La pompe à plongeur selon la figure 5 comporte un corps de pompe 45 et une texte de pompe 46, qui sont accolés suivant un plan de joint 47 et assemblés au moyen de vis ou de moyens similaires non représentés. La tête de pompe 46 renferme le clapet de refoulement 48, lequel est disposé suivant l'axe longitudinal 49 de la pompe et contrôle le passage du fluide vers une chambre collectrice 50. Le corps de pompe 45 délimite une chambre d'aspiration 51, dans laquelle le fluide à pomper est amené par des canaux 52 et 53. Cette chambre d'aspiration 51 entoure un fourreau 54 formant l'obturateur du clapet d'aspiration, qui est lui-même monté flottant autour d'un piston plongeur creux 55. Le four reau 54 est déplaçable à l'encontre de la force d'un ressort 56 qui le rappelle dans sa position représentée sur la figure 5,ce ressort prenant appui par une extrémité sur le corps de pompe 45 et par l'autre extrémité contre le fourreau 54. Ce fourreau présente une extrémité avant 57 rétrécie en forme de c8ne,de telle manière que sa face terminale szappuie contre la taste de pompe 46 suivant le plan de joint 47 lors de la course utile du piston plongeur 55 et délimite la chambre de refoulement de la pompe. Le piston plongeur creux 55 contient un ressort pneumatique, formé par une chambre à ressort 58 dans laquelle du gaz à une pression déterminée est introduit à travers une valve de remplissage 59. Du c8té de la chambre de refoulement de la pompe, la chambre à ressort 58 est obturée par un piston 60 qui est monté coulissant à l'intérieur du piston plongeur 55 et qui présente, à son extrémité avant, un téton conique 61 engagé dans un canal 62 débouchant dans la chambre de refoulement,en position ae repos. Dans la forme d'exécution ici considérée,le canal 62 est percé dans une pièce d'extrémité 63,formant une douille filetée qui est vissée dans un taraudage prévu à l'avant dn piston plongeur 5. La pièce 63 présente, à son extrémité antérieure,un épaulement 64 qui vient s'appliquer contre la face terminale du piston plongeur 55. L'étanchéité entre ce piston plongeur 55 et la pièce 63 est assurée par des joints annulaires 65 et 66, qui sont disposés respectivement aux extrémités arrière et avant du taraudage du piston plongeur creux. Le joint d'étanchéité empêche tout échappement de gaz hors de la chambre à ressort dans la position de repos du piston 60. Dans la forme d'exécution selon la figure 5,en cas alélé- vation de la pression du fluide refoulé, la pression du gaz dans la chambre à ressort 58 s'élève aussi par suite du déplacement du piston 60 vers l'arrière du piston plongeur 55. En choisissant ici convenablement le matériau dans lequel est réalisé le piston plongeur creux 55 et l'épaisseur de ses parois,on peut obSe- nir une expansion de ce piston plongeur creux, pouvant compenser l'élargissement du fourreau 54 qui résulte de 11 élévation de la pression. Par ce moyen, l'interstice de forme annulaire existant entre le piston plongeur 55 et le fourreau 54, ainsi que les pertes dues aux fuites internes par cet interstice,peuvent être maintenus à une valeur faible. On peut ainsi affirmer que, dans la pompe à plongeur haute pression selon les figures 5 et 6, le jeu entre le fourreau formant l'obturateur du clapet d'aspiration et le piston plongeur est maintenu à une valeur constante sur toute la plage des pressions résultant de la course d'avance du piston plongeur. Dans la forme d'exécution représentée sur la figure 7, l'axe 70 du ressort pneumatique 71 forme un angle aigu avec l'axe 72 dU piston plongeur, qui n'est lui-m8me pas représenté. L'axe 73 du clapet de refoulement 74 forme lui aussi un angle aigu avec l'axe précité 72. De plus, les trois axes 70, 72 et 73 sont concourantsoe Par cette disposition,on obtient des conditions d'écoulement favorables lors de la restitution à l'arbre d'entraSnement de l'énergie emmagasinée dans le ressort pneumatique. La chambre 75 remplie d'un gaz sous une pression déterminée est délimitée,du côté tourné vers le piston plongeur,par un piston 76 dont le diamètre est égal à un multiple du diamètre du piston plongear.Ainsi la vitesse de déplacement du piston 76 reste faible et il en résulte que les forces d'inertie apparaissant en cours de fonctionnement seront, elles aussi1 réduites.La tbete de pompe 77 comporte par ailleurs un conduit collecteur 78 pour le fluide refoulé et un clapet de refoule ment,dont l'obturateur 79 est soumis à la poussée d'un ressort 80. Dans la pompe selon l'invention, la consommation d'énergie ne varie pas,pour une vitesse et une course de piston constantes, même si la pression dans la chambre de refoulement s'élè- ve et si,pour l'obtention de cette pression,les fores mises en 3eu s'élèvent également,proportionnellement à l'élévation de pression. Comme il va de soi, la présenté invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette pompe qui ont été décrites ci-dessus à titre d'exemples;elle en embrasse,au contraire, toutes les variantes de réalisation comportant des dispositions équivalentes. -RETENDICAEIONS 7.- Pompe haute pression à débit variable ,caractérisée en ce qu'elle comprend un organe séparateur (12,30,60) soumis à l'action d'un ressort et monté mobile,séparant une chambre à ressort de la chambre de refoulement (6) de la pompe munie d'un clapet d'aspiration (3,16,54) et d'un clapet de refoulement (9,20,48), ledit organe séparateur étant soumis, du côté opposé au ressort, à la pression régnant dans la chambre de refoulement précitée, et étant déplaçable à l'encontre de l'action du ressort pour une pression déterminée à l'intérieur de la chambre de refoulement. 2.- Pompe haute pression selon la revendication S,caractérisée en ce que le ressort précité est réalisé sous la forme d'un ressort pneumatique. 3. Pompe haute pression selon la revendication 2,caractérisée en ce que le volume gazeux du ressort correspond sensiblement au volume de déplacement du piston plongeur de la pompe lors de sa course,tandis que la pression d'introduction du gaz représente un quart à un tiers de la pression maximale pouvant autre fournie par la ppmpe. 4.- Pompe haute pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'organe séparateUr (12,60) est réalisé sous la forme d'un piston 5.-Pompe haute pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la chambre à ressort préci- tée est constituée par l'intérieur d'un manchon (13) qui est vissé,par une de ses extrémités comportant un filetage (14),dans un taraudage complémentaire de la tête de pompe,et dont la face terminale est étanchée par rapport à la tête de pompe 6.- Pompe haute pression selon la revendication 4,caractéri- sée en ce que le piston (12,60) formant l'organe séparateur présente un téton (11,26,61) de forme conique,qui dans la position de repos du piston est engagé dans un canal débouchant dans la chambre de refoulement de la pompe. 7.- Pompe haute pression selon la revendication 6,caractérisée en ce que le canal précité est ménagé dans une pièce (18,65) insérée dans la tête de pompe. 8.- Pompe haute pression selon la revendication 1 ou 2,caractérisée en ce que la chambre à ressort (33,58) est ménagée à l'intérieur du piston plongeur (30,55) de la pompe. 9.-Pompe haute pression selon la revendication 8,caractéri- sée en ce que L'organe séparateur est réalisé sous la forme d'un piston plongeur creux (30) qui est monté coulissant sur une cheville (32) fixée à la crosse de piston (31) et en ce que l'extrémité de la chambre à ressort (33) tournée vers ladite cheville est obturée par une paroi de séparation (34),montée coulissante à l'intérieur du piston plongeur creux, qui sépare la chambre à ressort d'un circuit de fluide hydraulique. n Pompe hauté pression selon la revendication 9,caractérisée en ce que l'extrémité libre de la cheville précitée (32) présente une collerette (38) formant butée et coopérant avec un épaulement (39) formé à l'extrémité du piston plongeur creux t30) engagée dans la crosse de piston (31). 11. Pompe haute pression selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que dans la cheville précitée (32) sont creusés des canaux (35,36) pour le passage du fluide hydraulique qui emplit les chambres délimitées par la crosse de piston, la cheville et le piston plongeur creux. 12.Pompe haute pression selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que le rapport des sections (F1) de la chambre formée à l'intérieur du piston plongeur creux (30) et (F2) de l'évidement ménagé dans la crosse piston (51) est égal à 1/2. 13.- Pompe haute pression selon l'ensemble des revendications 2 et 8,caractérisée en ce qu'un fourreau (54) formant l'obturateur du clapet d'aspiration de la pompe est monté flottant autour du piston plongeur creux (55),en ce que l'organe séparateur (60) se déplace vers l'arrièrè du piston plongeur lors de la course d'avance de ce dernier, et en ce que le piston plongeur creux (55) est expansible sous l'effet de l'élévation de pression du gaz introduit dans la chambre à ressort (58) ménagée à.l'inté- rieur du piston plongeur. 14.-Pompe haute pression selon la revendication 2,caractérisée en ce que le diamètre du piston (76) du ressort pneumatique (71) est égal à un multiple du diamètre du piston plongeur de la pompe. 1 Pompe haute pression selon la revendication 2,caractérisée en ce que les axes respectifs (70,73)du ressort pneumatique(71) et du clapet de refoulement (74)concourent avec l'axe(72) du piston plongeur en formant avec cet axe des angles aigus.