Brevet FR2462588A1 — publié le 19810213

t462588 La présente invention se rapporte à une pompe à pistons axiaux et à course variable et elle vise plus spécialement des moyens des- tinés à empêcher le phénomène de cavitation de se produire dans une telle pompe sur une vaste gamme de vitesses de cette dernière. Une pompe à pistons axiaux comporte un barillet monté de façon rotative dans un logement. Ce barillet est percé d'une série de cylindres régulièrement répartis, dont les axes sont tous à la même distance de l'axe de ce barillet. Chacun de ces cylindres contient un piston qui se déplace d'un mouvement de va-et-vient lors- que le barillet tourne. L'une des extrémités de ce barillet est appliquée contre une plaque fixe montée dans le logement et qui présente deux ouvertures, ou lumières, de forme oblongue. L'une de ces ouvertures est une ouverture d'admis- sion, tandis que l'autre est une ouverture d'échappement. Chacun des cylindres comporte une ouverture à l'extrémité du barillet voisine de cette plaque fixe. Lorsque le barillet tourne, l'ouverture de chacun des cylindres passe en regard de l'ouverture d'admission et de l'ouverture d'échappement. Au moment du passage de l'ouverture de chaque cylindre en regard de l'ouverture d'ad- mission, du fluide sous faible pression est in- troduit dans le cylindre correspondant. Au contraire, lorsque l'ouverture de chacun des cylindres passe en regard de ladite ouverture d'échappement, elle chasse ce fluide sous une pression plus élevée. A mesure que la vitesse de rotation de la pompe augmente, le temps que met l'ouverture de chacun des cylindres pour passer en regard de l'ouverture d'admission diminue. Si les cy- -22462588 lindres ne sont pas parfaitement remplis de fluide après que leur ouverture est passée en regard de l'ouverture d'admission, il se produit un effet de cavitation. Or, la cavitation est à l'origine bruits de vibration et d'une usure rapide des faces métalliques aucontact du fluide, chacun de ces phénomènes constituant un inconvénient très fâcheux; c'est la raison pour laquelle il faut éviter la cavitation. Pour-qu'un cylindre puisse se remplir au passage de son ouverture en regard de ladite ouverture d'admission, il faut que le fluide qui arrive par cette ouverture d'admission comporte une composante de vitesse parallèle à l'axe géo- mètrique de ce cylindre. Cette composante de vitesse est généralement due à la pression du fluide qui pénètre par l'ouverture d'admission. En outre, étant donné que l'ouverture de chaque cylindre se déplace tangentiellement par rapport à l'ouverture d'admission, il convient que ce fluide pénètre dans l'ouverture d'admission avec une composante de vitesse tangentielle en plus de sa composante longitudinale. Si la composante de vitesse tangentielle du fluide qui pénètre par l'ouverture d'admission est pratiquement égale à la vitesse tangentielle de l'ouverture que comporte le cylindre, le temps nécessaire pour remplir ce cylindre est fortement raccourci et il ne se produit pas de cavitation aux grandes vitesses de la pompe. En fait, l'augmentation de la composante de vitesse tangentielle du fluide produit, pour la diminution du temps qu'il faut pour remplir un cylindre, un effet supérieur à celui d'une augmentation correspondante de la composante de vitesse axiale. Un procédé permettant de diminuer la cavitation consiste à soumettre le fluide qui pénètre par l'ouverture d'admission à une pression préalable supérieure. On y parvient à l'aide d'une pompe auxiliaire qui augmente la pression et, par suite, l'énergie du fluide jusqu'à une valeur supérieure au minimum nécessaire pour as- surer un remplissage complet des cylindres du barillet, pour toutes les vitesses de fonction- nement de la pompe. Mais, le fait de soumettre le fluide qui arrive à une pression préalable supérieure à l'aide d'une pompe auxiliaire pré- sente un certain nombre d'inconvénients. En effet, une telle pompe auxiliaire augmente le prix de l'installation hydraulique et de plus, une pompe auxiliaire prend une place qui est souvent pré- cieuse. En outre, c'est en général pour la vites- se maxima de fonctionnement d'une pompe que l'on fait appel à une pompe auxiliaire pour élever la pression du fluide qui arrive à une valeur suffisante pour remplir les cylindres du barillet. Mais, étant donné qu'une pompe ne fonctionne pas en permanence à sa vitesse maxima, une telle pompe auxiliaire fournit du fluide sous une pres- sion supérieure à celle qui est nécessaire pendant une grande partie de la durée de fonction- nement de la pompe, ce qui a pour conséquence un gaspillage d'énergie. Il convient de prévoir des moyens permet- tant d'augmenter la composante de vitesse tan- gentielle du fluide pénétrant par l'ouverture d'admission jusqu'à ce qu'elle ait une valeur pratiquement égale à la vitesse tangentielle de l'ouverture que comporte chaque cylindre. DE plus, il avantageux que la vitesse 3 5 tangentielle du fluide qui pénètre par l'ouverture d'admission soit égale à la vitesse tangentielle de l'ouverture de chacun des cylindres pour chaque vitesse de fonctionnement de la pompe. En d'autres termes, les moyens servant à augmen- ter la vitesse tangentielle du fluide qui arrive doivent pouvoir assurer une vitesse directement proportionnelle à la vitesse de la pompe. Il est souhaitable en outre de pouvoir augmenter cette vitesse tangentielle du fluide qui arrive sans avoir à faire appel à une pompe auxiliaire. L'invention a pour objet une pompe munie d'une roue actionnée par cette pompe, montée tout contre la plaque comportant des ouvertures et coopérant avec un collecteur destiné à intro- duire dans l'ouverture d'admission du fluide dont la composante de vitesse tangentielle est pratiquement égale à celle de l'ouverture de chaque cylindre du barillet. Par conséquent, il suffit d'une faible quantité de fluide sous pres- sion à l'admission pour assurer un remplissage parfait des cylindres du barillet, pour toutes les vitesses de fonctionnement de la pompe. Ce collecteur est monté dans le couvercle de la pompe, tout près de la roue et il recueille la fraction de fluide provenant de cette roue qui ne s'écoule pas directement dans l'ouverture d'admission de la pompe. Le fluide provenant de ce collecteur traverse les ailettes de la roue en pénétrant dans l'ouverture d'admission et il se mêle au fluide qui s'écoule directement dans l'ouverture d'admission. Le fluide a une vitesse résultante suffisante pour-remplir parfaitement les cylindres de la pompe dans toutes les condi- -35 tions de fonctionnement de celle-ci, avec pour une pression beaucoup plus faible du fluide à l'admission. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la descritpion qui va suivre, faite en regard des dessins an- nexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation. Sur ces dessins, - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une pompe à laquelle est appliquée l'invention; - la figure 2 est une vue avant de la roue de la pompe; - la figure 3 est une vue de côté de cette même roue de la pompe; - la figure 4 est une coupe longitudinale du couvercle et du collecteur de la pompe; - la figure 5 est une vue à plus grande échelle du collecteur, prise sur le pourtour de la roue, cette vue comportant un schéma avec flèches de la circulation du fluide pénétrant par l'ouverture d'admission; - la figure 6 est une coupe faite sur la ligne VI-VI de la figure 5; - la figure 7 est une coupe faite sur la gligne VII-VII de la figure 5; et - la figure 8 fournit des courbes repré- sentant les variations de la pression du fluide d'admission dans une pompe conforme à l'invention, en fonction de la pression du fluide d'admission dans une pompe classique de type analogue. La pompe à pistons axiaux tel que re- présentée sur la figure 1, comporte un corps 11 constitué par un logement central 12, un cou- vercle 13 situé à une extrémité et un couvercle à ouverture 14 à l'autre extrémité, ces trois éléments étant fixés les uns aux autres à l'aide de boulons 15. Le corps 11 comporte une cavité 16 dans laquelle est logé un barillet cylindrique ro- tatif 17 monté sur des rouleaux 18 d'un roule- ment 19, dont la bague extérieure 20 est appliquée fortement contre un épaulement 21 du logement 12. Un arbre d'entraînement 22 est monté de façon rotative dans un roulement 23 installé dans un alésage 24 du couvercle 13. L'extrémité intérieure cannelée 25 de l'arbre 22 touche et entraîne un manchon cannelé 26 enfoncé à force dans l'alé- sage central 27 du barillet 17. Ce barillet est percé d'une série d'alésages 28 parallèles entre eux, répartis-.régulièrement sur son pourtour à la même distance de son axe de rotation. Dans chacun de ces alésages 28 est logé un piston 29, dont chacun comporte une tête 30 en forme de boule logée dans un alvéole 31 d'une semelle 32. Chaque semelle est retenue appliquée contre une.plaque plate de butée 33, montée sur un étrier mobile 34 à l'aide d'un ensemble de retenue 35. Cet ensemble 35 comporte une plaque 36 de retenue de semelles, présentant plusieurs alésages régulièrement espacés, dont le nombre est égal à celui des pistons 29, cette plaque passant au-dessus du corps de chaque piston et étant appliquée contre un épaulement 37 de chacune des semelles 32. Une tige 38 est ensilée dans un alésage central 39 de la plaque de retenue 36 et dans un alésage central 40 de l'étrier 34. L'extrémité renflée 41 de cette tige 38 est au contact d'un épaulement 32 de cet étrier 34. L'extrémité de plus petit diamètre 43 de cette tige est filetée et on peut la visser dans un écrou 44 servant à bloquer la plaque 36 de re- tenue de semelles et la plaque de butée 33 contre l'étrier 34. Cet étrier est monté de façon pivotante dans des roulements 45, 45' de manière à pouvoir de déplacer autour d'un, axe perpendiculaire à celui de l'arbre d'entraînement 22. Cela a pour effet de modifier l'inclinaison de la plaque de butée 33 et, par suite, la course des pis- tons 29. Chaque alésage cylindrique 28 aboutit à une ouverture 46 d'un cylindre, ce qui permet de faire passer le fluide entre une-.plaque à ouvertures 47 et d'alésage 27 du piston. Cette plaque 47 est intercalée entre le barillet 17 et le couvercle 14 de la pompe. Si l'on se re- porte aux figures 5 à 7, on voit que la plaque 47 compoite une ouverture, ou lumière, d'admission 48 et une ouverture, ou lumière, d'échappement 49. Ces deux ouvertures communiquent avec l'ouverture d'admission 50 et l'ouverture d'échappement 51 pratiquées dans le couvercle 14 de la pompe, comme représenté sur les figures 1 et 4. La rotation de l'arbre d'entraînement 22 sous l'action d'une source d'énergie quelconque (non représentée) a pour effet de faire tourner le barillet cylindrique 17. Si l'on incline la plaque de butée 33 par rapport à une position neutre, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe géo- màtrique de l'arbre 22, les pistons 29 prennent un mouvement de va-et-vient tandis que les semel- les 32 glissent sur la plaque de butée 33. A mesure que les pistons 29 s'éloignent de la plaque à ouvertures 47, du fluide sous faible pression provenant de l'ouverture d'admission 48 pénètre dans les alésages 28. Lorsque les pistons retour- nent en direction de la plaque à ouvertures 47, ils envoient le fluide sous pression élevée dans l'ouverture d'échappement 49. Si l'on considère les figures 1 à 3, on voit qu'une roue 52 est montée dans la pompe, tout contre la plaque à ouvertures 47. Cette roue 52 comporte un moyeu cylindrique 53 qui fait saillie de la face arrière d'une paroi pla- te 54. Ce moyeu 53 fait saillie, par un trou 55 pratiqué dans la plaque 47, et l'extrémité 56 de ce moyeu *vient buter contre un élément de retenue 57. Ce dernier est relié à un manchon cannelé 26 à l'aide de pattes qui font saillie de cet élément de retenue et qui pénètrent dans des fentes du manchon 26. Un boulon 58 relie - fermement la roue 52 à l'élément de retenue 57 et une rondelle 59 empêche les deux pièces de se déplacer l'une par rapport à l'autre. Dix ailettes régulièrement espacées font saillie latéralement et radialement de la face avant de la paroi 54. Chacune de ces ailet- tes 60 comporte une pale inférieure 61 et une pale extérieure 62. Si l'on considère la figure 2, on voit-que le bord d'attaque incliné de la pale intérieure est décalé de 30 par rapport à l'axe géométrique de l'ailette 60 et que le bord d'attaque incliné de la pale extérieure 62 est décalé de 150 par rapport à ce même axe. On voit, sur la figure 3, que l'extrémité exté- rieure 63 de la pale intérieure 61 est décalée d'environ 58 par rapport à l'axe géométrique de l'ailette 60, comme représentée sur la figure 3, et que l'extrémité extérieure 64 de la pale extérieure 62 est décalée d'environ 22 par rapport à l'axe. Il est important que la surface, en coupe transversale, des portions de la roue, c'est-à- dire les espaces compris entre les ailettes 60, demeurent constants, afin que la vitesse d'ad- mission, ou vitesse axiale, du fluide demeure elle aussi constante pendant toute la durée du passage du fluide à travers la roue. Dans la roue 52 telle que représentée, la face avant de la paroi 54 est de forme conique, comme on le voit nettement sur la figure 3. En dépit de cette paroi conique 54, on peut obtenir une section transversale de section constante entre les diverses ailettes 60, en augmentant l'écartement entre ailettes voisines 60, du centre de la roue jusqu'a son bord extérieur, et en prévoyant les pales intérieures 61 de chaque ailette 60 plus larges que les pales ex- térieures 62. La roue 52 a pour rôle d'imprimer une énergie plus grande au fluide dans l'ouverture d'admission 50, de façon à empêcher tout effet de cavitation lorsque la pompe tourne à des vi- tesses supérieures aux vitesses normalement pos- sibles avec les pompes classiques, dans lesquelles le fluide à l'admission n'est-pas soumis à une pression complémentaire. Cette roue 52 coopère avec un collecteur 65 situé dans le couvercle 14 de la pompe et servant à donner au fluide qui pénètre par l'ouverture d'admission 48 de la plaque 47 une composante de vitesse tangentielle pratiquement égale à la vitesse tangentielle de l'ouverture 46 de chaque cylindre. Par conséquent, le fluide qui pénètre par l'ouverture d'admission 50 du couvercle 14 n'a besoin que d'une énergie tout juste suffisante pour fournir une composante de vitesse axiale permettant d'entraîner le fluide dans l'alésage 27 du piston lorsque celui-ci balaye l'ouverture d'admission 48. On a constaté que la composante de vitesse axiale est net- tement plus faible que la composante de vitesse tangentielle. Si l'on considère les figures 4 à 7, on voit que le collecteur 65 consiste en une ca- vité pratiquée dans le couvercle 14 au voisina- ge de la roue 52, du côté opposé à la plaque à ouvertures 47. Ce collecteur 65 part du point P1 situé tout de suite dprès l'ouverture d'admission 48 dans le sens de rotation.de la roue et il s'étend, en coupe transversale, jusqu'à un ma- ximum situé au point P2 qui se trouve juste en regard de l'entrée de l'ouverture d'admission 48. La surface de sections transversales de collec- teur 65 est constante du point P2 jusqu'au point B3, dans le sens de rotation.de la roue, ce point étant opposé à l'endroit o l'ouverture d'admission 48 traverse la plaque à ouvertures 47 appliquée sur le côté du barillet 17. Entre le point P3 et un point P4 en regard du milieu de l'ouverture 48, la surface de la section trans- versale du collecteur 65 diminue. Entre le point P4 et le point-P1 dans le sens de rotation de la roue, le collecteur ne comporte pas de cavité. Il n'est prévu qu'un jeu suffisant pour que la roue 52 puisse tourner par rapport au couvercle à ouvertures 14. Il est prévu également un certain jeu pour que cette roue 52 puisse tourner par rapport à la plaque à ouvertures 47. Le fonctionnement de l'installation est le suivant: Le fluide passant dans l'ouverture sous faible pression ou ouverture d'admission 50 se déplace longitudinalement en direction du centre de la roue 52. Les pales intérieures 61 des ailettes 60 ont tendance à guider le fluide pour qu'il traverse les diverses portions de ce trou. A mesure qu'il traverse ces portions de la roue, le fluide est dévié suivant une direction radiale et il reçoit une composante de vitesse tangentielle croissante. Cette composante a le sens de rotation de la roue. L'huile qui sort des diverses portions de cette roue au voisinage de l'ouverture d'admission 48 s'écoule direc- tement dans cette dernière. Cela se produit entre les points P2 et P4. L'huile sortant de la roue entre les points P1 et P2 dans le sens de rota- tion de cette roue, pénètre dans le collecteur 65. L'augmentation de la surface de la section transversale du collecteur 65 entre les points P1 et P2 permet au fluid e d'avoir en permanence une vitesse tangentielle élevée. Cela a pour effet de diminuer les pertes d'énergie qui ré- sulteraient d'un arrêt ou d'un ralentissement du fluide, il faudrait ensuite accélérer de nouveau. La figure 6 représente le fluide sortant de la roue 52 pour pénétrer dans le collecteur 65 avant l'endroit o ce collecteur débouche dans l'ouverture d'admission 48, c'est-à-dire entre les points P 1et P2. On peut voir, d'après les figures 5 et 7, qu'entre les points P2 et P4 le fluide provenant du collecteur 65 se mélange au fluide provenant directement de la roue 52 et pénètre dans l'ouverture d'admission 48 de la plaque 47. Le fluide sortant de ce collecteur vient au contact des pales extérieures 62 de la roue 52, dans son passage du collecteur dans l'ouverture d'admission 48. Cela permet aux pales extérieures 62 de donner au fluide une vitesse complémentaire avant que ce fluide ne s'écoule dans l'ouverture d'admission 48. La figure 5 fournit un schéma avec flèches des composantes de la vitesse du fluide qui pénètre dans l'ouver- ture d'admission 48, au voisinage de cette ou- vertre. La vitesse définitive est la résultante de la composante tangentielle qui a été fournie au fluide par la roue 52 et d'une composante longitudinale, fournie par la pression du fluide dans l'ouverture d'admission 50. La figure 8 donne les courbes présen- tant les variations de la pression d'admission en fonction de l'écoulement d'échappement, pour diverses vitesses de la pompe (vitesses qui sont, respectivement, de bas en haut, de 2 000, 3 000 3 860 et 4 200 tours/minute). On a constaté que dans une pompe classique, c'est-à-dire ne com- portant ni la roue ni le collecteur selon l'in- vention, la pression minima à l'arrivée dans l'ouverture d'admission 50 doit croître de façon importante à mesure que la vitesse de la pompe augmente de manière à empêcher tout effet de cavitation dans cette pompe. La raison en est qu'il faut fournir au fluide une plus grande quan- tité d'énergie de façon que ce fluide soit en mesure de remplir les alésages du cylindre au moment o les ouvertures 46 débouchent sur l'ou- verture d'admission 48. Au contraire, dans une pompe comportant la roue et le collecteur selon l'invention, on a constaté que la pompe peut fonctionner entre sa vitesse minima et sa vi- tesse maxima avec une pression d'admission égale à environ 420 g/cm. Cela améliore considérablement les possibilités de la pompe en lui permettant de fonctionner aux vitesses élevées sans qu'il soit nécessaire de soumettre le fluide à une pression plus forte à l'admission. Un autre avantage assuré par la roue et le collecteur selon l'invention, tient au fait que la pompe ne doit fournir qu'une très faible puissance complémentaire pour actionner la roue 52 et imprimer au fluide la vitesse ré- sultante nécessaire. La puissance à fournir est environ le quart de celle que l'on demande à une pompe centrifuge de type classique pour soumettre le fluide à une pression complémentaire et effectuer le même travail. 2452S88 REVENDICATIONS 1. Pompe à pistons axiaux comportant un logement (12), un couvercle (14) qui bouche l'une des extrémités de ce logement, un baril- let (17) monté de façon rotative dans ce logement, un arbre (22) fixé à ce barillet et permettant de l'entraîner, plusieurs pistons (29) montés dans des alésages (28) de manière à pouvoir se déplacer d'un mouvement de va-et-vient dans le barillet (17), une plaque à ouvertures (47) pré- sentant une face intérieure voisine d'une extré- mité du barillet (17), une ouverture d'admission (48) pratiquée dans cette plaque et servant à entraîner du fluide sous faible pression vers les pistons (29), une ouverture de sortie (49) pratiquée dans cette plaque et destinée à re- cevoir du fluide sous pression chassé des pis- tons, une roue (52) reliée de façon rotative à l'arbre d'entraînement, au voisinage de la face extérieure de la plaque à ouvertures (47), des moyens servant à envoyer du fluide sous faible pression vers le centre de la roue de manière que cette dernière fournisse une compo- sante de vitesse tangentielle au fluide, carac- térisée par le fait qu'elle comprend un collec- teur (65) situé dans le couvercle (14) au voi- sinage de la face extérieure de la palque à ouvertures qui reçoit une fraction du fluide provenant de la roue (52), l'entrée de ce col- lecteur (65) se trouvant tout de suite au-delà de l'ouverture d'admission dans le sens de rota- tion de la roue et la sortie du collecteur étant située tout près du début de l'ouverture d'ad- mission (48), dans le sens de rotation de la roue, de façon que le collecteur (65) se trouve près de la majeur partie du pourtour de la roue, ce collecteur entraînant la composante de vitesse axiale du fluide en direction de l'ouverture d'admission (48), et des moyens servant à ren- voyer une fraction importante du fluide qui sort du collecteur, dans la roue (52) avant que ce fluide ne pénètre dans l'ouverture d'admis- sion (48), de manière à augmenter la vitesse tangentielle de ce fluide jusqu'à la valeur de celle des ouvertures cylindriques du barillet (17), le fluide provenant du collecteur et qui pénètre dans la roue (52) se mêlant au fluide qui s'écoule directement de cette roue dans l'ouverture d'admission, et ce mélange des deux fractions du fluide pénétrant dans ladite ouver- ture d'admission avec une vitesse tangentielle qui est pratiquement la même que pour les ou- vertures du barillet. 2. Pompe selon la revendication 1, ca- ractérisée par le fait que le volume dudit collecteur (65) augmente dans le sens de-rotation de la roue (52), entre l'entrée de ce collecteur et le début de la fente que comporte la plaque à ouvertures, le volume de ce collecteur conser- vant une valeur constante à partir du début de cette fente jusqu'à ce qu'elle soit en face de l'entrée de l'ouverture d'admission (48) sur le c8té du barillet (17), le volume de ce col- lecteur allant ensuite en diminuant de l'entrée de l'ouverture d'admission (48) jusqu'au point milieu de cette ouverture d'admission.