Brevet FR2505415A1 — publié le 19821112

Il est connu depuis longtemps de poriper des liquides, notamment des liquides visqueux, avec une vis dite d'Archimède. En remplaçant cette vis par une vis globique coopérant avec un pignon, l'on a réalise. des pompes ou moteurs hydrauliques qui permettent, mieux que la vis d'Archimèce, de refouler des liquides sous des pressions importantes. De nombreux brevets tels que le brevet français 1.354.700 décrivent des dispositifs de cette nature qui ont été réalisés avec succès. Dans ces dispositits,.le Iiquide pénètre axialement et sort axialement, pratiquement sur tout le pourtour de la vis. L'avantage est que le liquide pénètre lentement dans la vis, la vitesse axiale étant plus que faible que la vitesse circonferentielle et/ce type de pompe est donc peu propice à la cavitation, mais les inconvénients sont d'une part, que le débit par tour est'limité, environ une moitié seulement de la vis se tetplissszt à chaque tour ; d'autre part il est délicat d'éviter de comprimer ou de détendre le liquide dans les chambres entre le moment où l'orifice d'admission se ferme et 1 orifice d'échappement s'ouvre, du fait que la section des filets est naturellement variable ; du fait de l'incompressibilité du liquide, ceci peut engendrer des chocs importants pouvant aller jusqu' la rupture de pièces telles que le pignon. Pour résoudre ce problème, nous avons déjà proposé dans l'addition numéro 2.029.156 au brevet français numéro 1.586.832 de remplacer une circulation axiale du liquide par une circulation circonférentielle. Cette circulation, dans laquelle les filets de la vis jouent un peu le rôle des pales d'une roue à aube, permet de séparer les orifices d'aspiration et de refoulement par une zone où le filet ne communique avec aucun des deux orifices mais ne change pas de volume ; c'est en somme une zone de transfert - en rotation - sans variation de volume. Une idée similaire se retrouve dans le brevet US 3.708.249 qui s'applique cette fois à une vis cylindrique coopérant avec un pignon plan alors que l'addition français 2.029.156 visée ci-dessus s 1appliquait à une vis cylindrique coopérant avec un pignon cylindrique. L'avantage de la solution du brevet US 3.708.249 est que le profil des filets se termine sur le diamètre extérieur de la vis et que la vis ne subit de ce fait aucune poussée axiale. L'inconvénient par contre, est comme on le verra dans la description ci-après, que le volume balayé par une telle vis est, pour un encombrement de vis donné, relativement faible; il en résulte que ce type de pompe est impropre à permettre des pressions de refoulement moyennes, de quelques dizaines de bars, avec un rendement acceptable:: du fait du faible volume débité, les longueurs de fuite prennent une importance considérable et l'on est réduit -Oit, à avoir un mauvais rendement volumétrique, soit, pour améliorer celui-ci, à tourner très vite et à avoir d'importants wrotterenns visqueux ce dans es deux cas fait plafonner le rendement à des valeurs inacceptables. La présente invention se propose de presque tripler le volume rB qzé sans augmentation importante des longueurs de fuite tout en conservant l'avantage d'une vis totalement équilibrée en poussées axiales, avantage qui devient essentiel lorsque les pressions deviennent élevees car ces poussées pourraient être prohibitives. que Elle vise une machine volumétrique teIgpompe ou moteur hydraulique comprenant en combinaison une vis wnie de plusieurs filets, tournant à l'intérieur d'un carter fixe et engrenant avec au moins un pignon muni de dents disposé dans ledit carter, au moins un orifice basse pression et au moins un orifice haute pression disposés dans le carter de part et d'autre du pignon, la zone du carter comprise entre un orifice basse pression et un orifice haute pression étant en permanence en contact sensiblement étanche avec le sommet dtau moins un filet de la vis sur toute la longueur dudit filet, la dite zone du carter étant en outre disposée pour que, quand elle est en contact étancle avec les sommets de deux filets successifs, aucune dent de pignon ne soit engagée entre ces deux filets et caractérisée en ce que les filets se terminent de part et d1 autre de la vis sur des diamètres sensiblement égaux et présentent au centre une portion renflée, de diamètre extérieur plus grand qu'aux extrémités des filets. Cette disposition a en effet l'avantage remarquable que quelle que soit la position angulaire de la vis, la poussée axiale est constante et proportionnelle à l'écart entre haute et basse pression, qu'il est donc possible de compenser cette poussée par un piston de contre-poussée sur lequel agit la pression du liquide refoulé et d'aboutir à une poussée axiale aussi faible que soq aité. En utilisant une vis à deux pignons symétriques, l'on peut même obtenir un couple pur sur la vis sans poussées ni axiales ni radiales ce qui permet de réaliser une pompe ou un moteur haute pression sans aucun problème de roulement. Une solution particulièrement intéressante consiste à utiliser une vis cylindrique terminée par deux cônes symétriques, la longueur de la partie cylindrique étant telle ç deux dents de pignons peuvent y être complètement engagées simultanément ; l'on s'est aperçu en effet-gue cette disposition permettait de réaliser une fluctllation cyclique de débit extrêmement faible et donc de réaliser une pompe à débit pratiquement non pulsé avec tous les avantages : brZit etc., que cela entraîne. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après et du dessin ci-annexé donné à titre d'exemple non limitatif et où - la figure 1 représente une coupe suivant I-I' de la figure 2 d'urge pompe conforme à l'invention. - la figure 2 représente une coupe suivant Il-Il' de la figure 1. - la figure 3 représente une vue développée de la vis suivant III-III' de la figure 2. - la figure 4 représente un schéma simplifié de la figure 3 illustrant les zones de poussée axiale avant communication du filet avec l'orifice haute pression. - la figure 5 représente un schéma analogue à celui de la figure 4 après communication du filet avec l'orifice haute pression. - la figure 6 représente une coupe simplifiée de la vis suivant l'invention. - la figure 7 représente une coupe simplifiée d'une autre vis suivant l'invention. - la figure 8 représente une coupe simplifiée de la vis de la figure 1. - la figure 9 est un diagramme montrant la dérivée du volume d'un filet en fonction de l'angle de l'angle de rotation. On voit sur les figures 1 - et 2 une vis 1 montée sur un axe 2 tournant dans des paliers fixes 3 et 4 dans la direction de ia flèche 5. Elle est munie de plusieurs filets tels que 6 qui engrènent avec les dents 7 de deux pignons symétriques tels que 8 tournant dans les paliers 9 et 10. Le palier 4 est lui-môme constitué d'un double roulement-à contact oblique disposé entre deux joints à lèvres. La vis 1 tourne à l'intérieur d'un carter constitué d'une pièce fixe 11, munie d'un alésage cylindrique 12, et de deux pièces 13 et 14 qui se fixent dans l'alésage -12 et comportent chacune respectivement les cônes 15 et 16. ;'extérieur de la vis se présente lui-meme comme un cylindre 12' placé entre deux cônes 15' et 16', cylindre et cônes qui lorsque la vis est dans le carter sont en contact sensiblement étanche, c'est-à-dire avec un très faible jeu, avec le cylindre 12 et les cônes 15 et 16 respectifs du carter. Chacune des pièces 13 et 14 comportent des passages 17 et 18 pour les dents de pignon, passages qui, de même que la lèvre 20 du carter sont d'un côté également en contact étanche avec le pignon, sur sa face qui est exposéeà la haute pression. L'alésage 12 comporte en outre de part et d'autre de chaque pignon deux orifices, l'un basse pression tel que 21, l'autre haute pression tel que 22. L'orifice basse pression 21 est en coamunication par la caviez 23 qui entoure le pignon avec une canalisation d'arrivée du liquide 24. L'orifice haute pression 22 débouche sur une canalisation 25 reliée à une tuyauterie d'évacuation du liquide haute pression non représentée. On voit que dans la rotation de la vis suivant la flèche 5 les filets 6 font circuler le liquide suivant le trajet des flèches 26 et 26' de l'orifice basse pression à l'orifice haute pression, à la façon d'une roue àaubes mais d'unwe rous Bubes qui viendrait pousser positive pignon ment - et pas seulement dynamiquement- le liquide contre les dents du/ Ce fonctionnement est parfaitement visible sur la figure 3 représentant une vue développée de lavis, des pignons et des orifices suivant III- III' de la figure 2 . Le sens du déplacement, en pompe, correspondant au déplacement indiqué par la flèche 5 de la figure 2 est représente par la flèche 27.L'on remarquera que le creux 28 compris entre les filets 29 et 30 est, dans la position figurée, isolé à la fois de l'orifice basse pression .21, par où arrive le liquide, et de l'orifice haute pression 22 mais également, que dans cette position aucune dent de pignon n'est engagée dans ledit creux. Si par la pensée l'on fait tourner la vis dans le sens de la flèche 27, l'on remarquera-également qu'il y a toujours un filet tel que 30 en contact étanche avee la partie du carter 31 comprise entre les - orifices 21 et 22 c'est-à-dire les orifices basse pression et haute pression afférents à deux pignons différents. il en résulte, d'une part que la haute pression est toujours séparée de la basse pression par au moins un filet, qu'en outre le volume compris entre deux filets passe de la basse pression à la haute pression sans changer de volume puisqu'il n'est pas balayé par une dent de pignon et qu!il n'y a donc qu'un simple transfert. il en résulte que la position exacte des ouvertures 21 et 22 n'a pas besoin d'être extrêmement précise et qu'en outre le creux entre les filets 29 et 30 peut commencer à communiquer avec l'orifice 22 avant de commencer à être balayé par une dent de pignon, ce qui évite toute poss ibilité de. surpuEsion. Des dispositions analogues utilisant une circulation circonférentiellè du liquide par rapport à une circulation axiale sont déjà connues par l'addition 2.029.156 à notre brevet français 1.586.832 ou par le brevet US 3.708.249. L'addition 2.029.156 présente toutefois l'inconvénient majeur qu' i;L existe sur la vis une poussée axiale qui peut devenir absolument dirimante pour des pressions élévées. Le brevet US 3.708.249 ne présente pas cet inconvénient car la vis étant extérieurement complètement cylindrique, elle ne subit aucune poussée axiale. Cette solution n'est toutefois pas favorable car la profondeur des creux du filet est très limitée et il en résulte de grands arcs de fuite pour un faible volume ce qui est peu favorable à un bon rendement sous pression élevée. Avec la présente invention le profil n1 est pas cylindrique mais cylindrique avec deux cônes dont on remarque sur la figure I qu'ils sont sensiblement symétriques par rapport au plan - non figuré perpendiculaire à l'axe de la vis et passant par le centre des pignons. il en résulte une poussée axiale mais' résultat remarquable, cette poussée est constante en force et direction quelle que soit la position angulaire de la vis. L'on a représenté sur la figure 4 une vue simplifiée du développé de la figure 3 juste avant que le creux 28 communique avec l'orifice haute pression 22, et juste après sur la figure 5. On a représenté en zones hachurées 32 et 33 la zone du cône extrême de la vis oh steserce la haute pression dans la figure 4 , et en 34 et 351es mêmes zones pour le cas de la figure 5. On voit que de la figure 4 à la figure 5, la zone 32 stest agrandie en 34 sensiblement .de la largeur d'un creux de filet mais qutil en est de même de la zone 33. Comme les deux cônes ont les mêmes diamètres extérieurs et intérieurs, l'augmentation de poussée sur les deux est la même et comme ces poussées s'opposent, la résultantereste constante. L'on vérifierait en poursuivant le raisonnement que cette poussée reste inchangée dans toutes les positions angulaires. Il est alors aisé de compenser cette poussée constante par une poussée constante créée sur la vis en utilisant la haute pression. Ceci est visible sur la figure 1 où l'on voit des percages 36 et 37 conduire la pression prélevée dans la canalisation de sortie dans une cavité 38 où le liquide sous pression appuie sur une partie de la vis 39 formant piston et disposée en contact étanche dans un alésage 40 de la pièce 13. L'on voit également que des trous 47 et 49 font communiquer respectivement les chambres 48 et 50 avec le volume entourant le pignon, volume à la basse pression, ce qui assure que la poussée axiale sur le piston 39 est bien limitée à la surface de ce piston et est proportionelle (si l'on néglige la poussée axiale qui pourrait exister sur l'arbre 2 au cas pù pression d'aspiration et pression extérieure à la pompe seraient différentes) au produit de cette surface par la différence entre haute et basse pression. En choisissant convenablement le diamètre du piston 39 on peut rendre aussi petite que l'on veut la résultante axiale de poussée supportée par le palier 4. L'on remarquera qutil est essentiel que les deux cônes extrêmes aient des surfaces sensiblement équivalentes ; sinon, l'on pourrait équilibrer axialement la vis en moyenne, mais la poussée changeant au cours de la rotation dans l'intervalle entre deux filets, l1on aurait sur le palier 4 des poussées oscillantes à la fréquence du nombre de filets si cette variation de poussée est faible ctest-à-dire si les deux cônes ont des surfaces très voisines, cette poussée oscillante peut être acceptable; mais si les surfaces sont très différentes et si la variation de poussée devient importante, il en résulte un martèlement source d'une part de bruit, d'autre part d'usure accélérée du roulement du palier 4. L'on voit sur la figure 6 une coupe schématique de la vis de la figure 1 et en pointillé le profil d'une vis complètement cylindrique comme suggéré par le brevet US 3.708.249. L'on a représenté en simple hachure la surface de la section utile de la vis suivant l'invention, et en double hachure celle du brevet US;lr'on voit que ces surfaces oui sont en première approximation proportionnelles à la cylindrée de la vis sont près de trois fois plus importantes dans le cas de la présente invention que dans l'art antérieur sans toutefois qu'il en résulte une augnentation de même importance des lignesdefuDec'est-à-dire des lignes de contact entre vis et carter, vis et dent de pignon, dent de pignon et carter.La conséquence en est non seulement une beaucoup plus grande puissance massae et donc une réduction du poids et duprix pour un débit donné mais aussi une amélioration sensible du rendement. L'on notera que dans l'exemple donné ci-dessus, la pompe a été présentée avec deux pignons symétriques mais la suppression de la poussée axiale et l'amélioration de débit et donc de rendement pour un même encombrement seraient atteints de la même manière en construisant la pompe avec un seul pignon, comme présentée dans le brevet US 3.708.249. L'avantage d'utiliser deux signons est de supprnner aussi la poussée radiale et de doubler le débit par tour puisque la vis est balayée deux fois par tour au lieu d'une fois. également L'on rotera/cue l1on a représenté un exemple o-à le profil extérieur de la vis est constitué d'un cylindre entre deux cônes. Mais on pourrait obtenir une poussée constante en utilisant un profil quelconque tel cue représenté figure 7 pour autant que les extrémités des filets de la vis 41 et 42 soient situées sur des diamètres sensiblement égaux. L'on notera également que la présente invention a été décrite avec une vis engrenant avec des pignons plans mais qu'elle pourrait être réalisée aussi bien avec des pignons coniques ou même cylindriques tels que présentés dans le brevet 1.586.832. L'on a représenté figure 8 la coupe d'une solution préférentielle de l'invention et figure 9 un graphique permettant de calculer le débit instantané de la pompe en fonction de l'angle de rotation CL de la vis. Ce graphique est établi en calculant pour les différentes valeurs que peut prendre le produit de la surface S d'une dent de pignon exposée à la pression par la distance R du centre de gravité de cette surface à l'axe de la vis ; il est en effet connu que ce produit est la dérivée du volume du filet en fonction de l'angle ou ce qui revient au même que le produit SRdd correspond au volume balayé par la dent quand la vistourne de l'angle dck . Le produit SR peut être aussi qualifié de débit instantané d'une dent. Sur un tel graphique, il est alors aisé de représenter le volume balayé par les différentes dents engrenant avec la vis ; l'on a représenté par exemple figure 9 par les segments 44, 45 et 46 les débits instantanés engendrés par trois dents successives coopérant simultanément avec la vis ; la différence d'abcisse entre ces trois segments est l'intervalle angulaire compris entre les dents soit par exemple, 60 degrès si la vis comporte 6 filets. L'on peut montrer par ailleurs que pour une vis cylindrique se terminant par deux cônes dont les génératrices coincident approximativement avec le flanc de la dent lorsque celle-ci quitte le cône, le produit SR se présente sensiblement comme un plateau précédé et suivi de deux montées presque rectilignes qui couvrent un angle voisin de l'angle entre deux filets successifs, soit 600 dans le cas précité. Le plateau et ses deux flancs rectilignes ont été représentés en trait pointillé,les valeurs exactes correspondant au tracé de la figure 8 étant représentées en trait plein. il est alors aisé de constater que si le plateau couvre également un angle égal à l'angle entre deux filets successifs, la somme des trois segments 44, 45 et 46 est pratiquement une constante et ne varie pas lorsque l'on déplace ensemble ces trois segments, le segment 45 restant en effet sensiblement constant le long des 600 du plateau et les segmens 44 et 46 ayant leur total constant et sensiblement égal au segment 45. Comme cette somme représente le débit instantané des différentes dents engrenées dans la vis, il en résulte que le débit instantané est pratiquement stable, qu'il est très peu pulsé. Cette caractéristique est particulièrement importante pour une pompe car elle conditionne le bruit, et les vibrations dans les canalisations sous pression ; une absence de pulsation permet en particulier d'éliminer tout appareil pneumatique d'absorption des pulsations. On notera que le fait.que le plateau couvre un angle égal à l'intervalle entre deux filets successifs est équivalent à dire que la longueur de la partie cylindrique de la vis est choisie pour que deux dents successives du pignon soient complètement engagées dans cette partie cylindrique et ne débordent donc pas les cônes d'extrémité. A titre d'exemple numérique l'on a ainsi expérimenté une pompe figurée en coupe sur la figure 8 constituée d'une vis de six filets de diamètre 140 mm terminée par deux cônes dont les génératrices font un angle de 400 avec l'axe de la vis, la longueur de la génératrice de la partie cylindrique étant de 38 mm ; cette vis coopère avec deux pignons symétriques de 140 mm de diamètre à Il dents chacun; dents dont la largeur est de 16 mm, la distance entre l'axe de la vis et l'axe du pignon étant de 88 mm. L'on constate tout d'abord que deux dents du pignon peuvent coopérer avec la vis dans la partie cylindrique sans déborder, (de façon précise, l'angle de rotation de la vis, pendant laquelle une dent ne déborde pas à l'éxtérieur d'un cône et correspondant au plateau 43 est de 670) que les parties rectilignes de part et d'autre du plateau s'étendent chacune sur environ 490. Ces valeurs de .670 et 490 sont bien du même ordre de grandeur que l'angle de 600 qui est l'angle entre deux filets, les écarts entre ces valeurs et 600 s'expliquant par le fait que le plateau de la figure 9 n'est pas rigoureusement plat et les bords du plateau pas rigoureusement rectilignes. L'on constate ensuite en construisant le graphique SR et en sommant les trois segments 44, 45 et 46 que la variation de débit est de + 1 X ce qui est extrêmement faible. De fait les mesures sur une telle pompe effectuée à 1000 tours par minute où elle balaye alors 374 litres par minute ont donné un niveau de bruit inférieur à 70 phones à un mètre, valeur particulièrement remarquable. REVEEDICATIOXYS 1. Machine volumétrique telle que pompe ou moteur hydraulique comprenant en combinaison une vis munie de plusieurs filets, tournant à l'intérieur d'un carter fixe et engrenant avec au moins un pignon 7suni de dents disposé dans ledit carter, au moins un orifice basse pression et au moins un orifice haute pression disposés dans le carter de part et a'autre du pignon, la zone du carter comprise entre un orifice basse pression et un orifice 7haute pression jetant en permanence en contact sensiblement étanche avec le sommet d'au moins un filet de la vis sur toute la longueur dudit filet, la dite zone du carter étant en outre disposée pour que quand elle est en contact étanche avec les sommets de deux filets successifs, aucune dent de pignon ne soit engagée entre ces deux filets et caractérisée en ce que les filets se terminent de part et d'autre de la vis sur des diamètres sensiblement égaux et présentent au centre une portion renflée de diamètre extérieur plus grand qu'aulx extrémités des filets. 2. Machine volumétrique telle que pompe ou moteur hydraulique comprenant en combinaison une vis munie de plusieurs filets, tournant à l'intérieur d'un carter fixe et engrenant avec deux pignons munis de dents disposés dans le carter symétriquement par rapport à l'axe de rotation de ladite vis, un orifice basse pression et un orifice haute pression étant disposés dans le carter de part et d'autre de chaque pignon, les zones du carter situées entre les orifices basse pression et haute pression contiguës à deux pignons différentes étant en permanence en contact sensiblement étanche avec le sommet d'au moins un filet de la vis sur toute la longueur dudit filet, lesdites zones du carter étant en outre disposées pour que quand elles sont en contact étanche avec les sommets de deux filets successifs, aucune dent de pignon ne soit engagée entre ces deux filets et caractérisée en ce que les filets se terminent de part et d-'autre de la vis sur des diamètres sensiblement égaux et présentent au centre de la vis une portion renflée, de diamètre plus grand qu'aux extrémités des filets. 3. Machine suivant la revendication 2 caractérisée en ce que la portion renflée est constituée d'un cylindre terminé par deux cônes symétriques par rapport au plan passant par les centres des pignons et perpendiculaire à l'axe de rotation de la vis. 4. Machine suivant la revendication 3 caractérisée en ce qu'en outre des moyens sont prévus pour créer sur la vis une cont;re-poussée axiale proportionnel e à a différence ce session entre haute et basse pression. 5. Machine savart la revendication 2 caractérisée en ce que Ces moyes comprennent sur les faces extrêmes de la vis de poches mises en communication par des canalisations avec la basse pression et un piston solidaire de la vis fermant une chambre qui est en communication par une canalisation avec la haute pression. 6. Machine suivant la revendication 3 caractérisée en ce que la zone cylindrique englobe sensiblement deux dents saccessives du pignon et en ce que la génératrice des cônes précités est sensiblement parallèle au bord de la dent lorsque celle-ci sort de la vis.