Brevet FR2514427A1 — publié le 19830415

COMPRESSEUR ROTATIF L'invention se rapporte à un compresseur rotatif sans huile du type à aubes coulissantes pour comprimer les gaz et les mélanges gaz-liquides, et plus particulièrement à un tel compresseur utilisable comme compresseur d'alimenta- tion pour un moteur à combustion interne de véhicules, une pompe à air, un compresseur pour réfrigérants, lesquels doivent pouvoir fonctionner sur une large gamme de vitesses de rotation et à de grands débits. En général, les compresseurs posent des problèmes qui diffèrent selon leurs applications Dans le cas d'un com- presseur pour comprimer des fluides compressibles, le pro- blème le plus important est dé à une élévation de température résultant de la compression adiabatique et des forces de friction Par exemple, un compresseur à haut taux de compres- sion et grand débit peut voir sa température s'élever jusqu'à environ 2500 C au dessus de la température tolérable pour ses pièces telles que les aubes, le cylindre, les paliers et les joints Des compresseurs du type lubrifié à l'huile ont leurs pièces en frottement lubrifiées, ainsi que refroidies, par huile Mais ils ne peuvent pas être utilisés comme compresseurs d'alimentation pour des moteurs à combustion interne à cause de la nécessité d'un dispositif pour récu- pérer l'huile à partir du fluide de décharge. Les compresseurs rotatifs du type sans huile, n'ayant ni effet de lubrification ni effet de refroidissement par huile, doivent minimiser la chaleur générée par les forces de friction, quelle que soit la chaleur inévitablement développée par la compression adiabatique Les forces de friction entre l'extrémité des aubes et la surface inté- rieure du cylindre produisent plus de chaleur que toute -2- autre pièce en frottement Afin de réduire les forces de friction, les exposés d'invention japonais JP 52-71713 et JP 56-18092 décrivent un compresseur comprenant une chemise rotative montée en rotation dans le cylindre et supportée flottante par de l'huile La chemise rotative tourne avec le rotor pour empêcher l'extrémité de cha- que aube de glisser sur la surface intérieure de la che- mise rotative Cependant, le compresseur tel que décrit ci-dessus ne convient pas comme compresseur devant tra- vailler sur une large gamme de vitesses de rotation et ayant un rapport de compression relativement haut et une grande capacité La raison en est que, bien que l'huile ou un fluide incompressible soit efficace pour supporter la chemise rotative en période de rotation stationnaire dans laquelle les conditions de lubrification par le fluide sont maintenues, il s'en suit inévitablement un grippage dû au manque d'huile en dessous des conditions limites de lubrification dans la période initiale de marche, une fuite d'huile due à la haute pression produite par la marche à haute vitesse, et un dommage dû par endroits à des pressions anormalement hautes. L'invention a pour objectif de résoudre le problème de savoir comment concevoir un compresseur qui peut être utilisé à des forts taux de compression et sur une large gamme de vitesses de rotation Selon l'invention, le compresseur rotatif sans huile du type à aubes coulissantes comprend un carter central, une chemise rotative montée dans le carter central par l'intermédiaire d'une chambre de pression, au moins un passagede haute pression s'étendant depuis la chambre de décharge et débouchant dans la chambre de pression par une valve, et un orifice d'échappement s'étendant depuis la chambre de-pression vers une chambre d'aspiration ou l'atmosphère, la chemise rotative étant -3- supportée flottante par la pression dynamique d'un fluide compressible. L'invention est illustrée par le dessin annexé, donné à titre d'exemple non-limitatif, dans lequel: La fig 1 est une vue en coupe longitudinale d'un compresseur selon l'invention. La fig 2 est une vue en coupe transversale du compres- seur de la fig 1. La fig 3 est une vue en coupe partiellement agrandie d'une autre forme d'exécution. La fig 4 est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'une autre forme d'exécution. La fig 5 est une vue en coupe partiellement agrandie d'une autre forme d'exécution encore. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, le com- presseur présente un arbre rotatif 1 conformé intégralement à un rotor excentrique 5 et à une poulie 20 fixée à l'extrémi- té avant de 1 'arbre 1, et est mu par un arbre d' entraînement d'un moteur ou analogue, non représenté L'arbre rotatif 1 et le rotor 5 sont supportés par des paliers 14, 15, 16 et l'étanchéité à l'air est assurée par un joint mécanique 11 à l'intérieur de la poulie 20 Les paliers 14, 15, 16 sont des roulements à billes pour éviter au rotor 5 de défléchir et lui permettent de tourner à des très hautes vitesses. Les paliers 14, 15 ont leurs anneaux extérieurs et inté- rieurs placés à intervalles rapprochés et leurs anneaux intérieurs et extérieurs respectifs sont pressés axialement les uns contre les autres par des colliers intérieurs ou extérieurs 12, 13 La force axiale transmet aux paliers 14, 15 une poussée qui agit sur le rotor 5 et prévient les défections radiale et axiale de celui-ci, autorisant un certain jeu entre le rotor 5 et les carters avant 21 et -4- arrière 23. Plusieurs aubes 4 sort ajustées, mobiles en coulissement radial, dans des rainures correspondantes 54 ménagées dans le rotor 5 On introduit la pression de décharge dans les rainures 54 d'aubes par un passage de contre-pression 56 s'étendant depuis une chambre de décharge 63 jusqu'à la base 55 des rainures d'aubes afin de faciliter la sortie de ces dernières A la place de l'air de la chambre de décharge, on peut extraire de l'air de la chambre d'aspiration 73 pour l'introduire à la base 54 des aubes Une rainure annulaire 57 est ménagée à la surface intérieure côté arrière du carter 23 pour distribuer une contre-pression depuis le passage de contre- pression jusqu'à la base respective 54 des aubes La rainure annulaire 57 est de préférence divisée en plus de deux parties de façon à appliquer une pression appropriée aux aubes respectives 4 en fonction de leurs positions. Par exemple, la rainure 57 peut être aveuglée quand 1 ' aube 4 est à son point mort supérieur. La chemise rotative 3, de même que le rotor 5, est contenue dans un carter central 22 et fermée latéralement par des carters de côté,avant et arrière 21, 23 Dans au moins un des deux carters de côté sont formés des alésages 6, 7 de décharge etd'aspiration Par exemple, les compres- seurs à grandes longueurs selon leur axe, pour des grands débits, ont des alésages de décharge etd'aspiration dans chacun des carters latéraux Le carter 23 du côté arrière est assujetti par un joint 2 à un capot arrière 24, o sont situées les chambres de-décharge etd'aspiration 63, 73. La chambre de décharge 63 est munie d'un clapet de décharge 62, qui ouvre et ferme les alésages de décharge 6 Le capot arrière 24 est muni d'un couple d'orifices de décharge et d'aspiration 64, 74, qui sont connectés à la ligne de surali- 2 5 1 4 4 2 7 -5- mentation d'un moteur, non représenté Les carters avant, central et arrière 21, 22, 23 et le capot arrière 24 sont mis en place par des chevilles 26 et assemblés ensemble par des boulons 25. La chemise rotative 3 a sa surface intérieure 31 en contact avec les aubes 4 et sa surface extérieure 33 placéeavec jeu dans le carter central 22 par l'inter- médiaire d'une chambre dépression 9, laquelle est défi- nie par le volume compris entre la surface extérieure de la chemise rotative 3 et la surface intérieu- re du carter central 22 La chambre de pression 9 est connectée au passage 92 dehaute pression à travers des val- ves 91 Les multiples passages dehaute pression 92 sont disposés de façon équidistante dans le carter central 22 et sont connectés à la chambre de décharge 63 par l'inter- médiaire d'un passage annulaire 93 ménagé dans le carter central 22 et d'un perçage 96 ménagé dans le carter arrière 23, en sorte qu'une partie du gaz comprimé dans la chambre de décharge 63 est injectée dans la chambre de pression 9 à travers la valve 91 En général, le perçage 96, le passage annulaire 93 et les passages dehaute pression 92 ont une section transversale plus large que la valve 91 de façon à y trouver la même pression statique que dans la chambre de décharge 63 Mais, si la pression est très haute dans la chambre de décharge, ces perçage et passages peuvent présen- ter une section transversale similaire à celle de la valve, de façon à augmenter leurs résistances. La valve 91 agit comme un orifice ou buse pour con- vertir la pression statique présente dans les passages de haute pression 92, similaire à celle de la chambre de décharge 63,en une pression dynamique qui est appliquée à la chambre de pression 9 pour supporter la chemise rotative 3 Les pressions statique et dynamique dans la chambre de pression 9 sont très dépendantes de l'épaisseur radiale 6 - ou jeu entre le carter central 22 et la chemise rotative 3 Il existe une relation entre le jeu Cr (mm), la pression de la chambre de décharge Ps (kg/mm 2), le rayon de la valve r (mm) et le coefficient de débit Cf, comme suit Cr 6 =Cf r /Ps X Fa (facteur résultant) -2 dans laquelle Fa = 3,244 X 10 (kg) dans le cas d'air injecté pour supporter la chemise rotative, comme montré sur la fig 1 La relation donne à Cr une valeur comprise entre 0,05 mm et 011 mm dans le cas o 2 r = 1,5 mm et Ps = 0,04 (air: 4 kg/cm 2) Cela signifie que la chambre de pression 9 a une épaisseur radiale sensiblement similaire aux tolérances en dimensionsde 0,1 mm à 0,2 mm entre le diamètre extérieur de la chemise rotative 3 et le diamètre intérieur du carter central 22. Le gaz fourni à la chambre de pression 9 passe générale- ment à travers un clapet de contrôle 90 depuis un orifice d'échappement 94 à une ligne de décharge Mais, si la chemise rotative est essentiellement supportée par la pression dyna- mique, l'orifice d'échappement 94 peut déboucher directement à l'air libre, comme représenté sur la fig 1 Selon la deman- de en pression statique en complément à la pression dynami- que, le clapetde contrôle 90 est ajusté en conséquence. Dans le cas d'un autre fluide que l'air, il est préférable d'ouvrir l'orifice d'échappement 94 dans la chambre d'aspira- tion 73 pour empêcher le fluide de se disperser dans l'at- mosphère Si on comprime un mélange gaz-liquide, le perçage 96 est munis d'un séparateur, non illustré. Dans le compresseur selon l'invention, la chemise rota- tive 3 est supportée par-la pression dynamique convertie depuis la pression statique de la chambre de décharge 63 par l'intermédiaire de la valve 91, et depuis la pression statique de la chambre de pression 9, si désiré Des fluides -7- compressibles supportant la chemise rotative ne produisent pas de hautes pressions anormales, à la différence des fluides incompressibles, quand bien même la vitesse de rota- tion est très rapide et la pression de décharge est élevée. C'est la raison pour laquelle le compresseur selon l'inven- tion convient pour des opérations dans une large gamme de vitesses de rotation et est exempt de fuite de fluide, de dommages et d'usures dues aux hautes pressions anormales. Dans la période initiale de marche dans laquelle le rapport de compression est trop bas pour mettre la chemise rotative en suspension, aucun ennui n'intervient par suite de la ro- tation de la chemise rotative ou des effets de friction entre la chemise rotative et les aubes, simplement parce que le compresseur est entraîné encore lentement en rotation par le moteur. L'élément le plus important de l'invention est que l'équilibre qui s'établit entre la force de résistance Rl de la chemise rotative 3 contre le carter central 22 et l'autre force de résistance R 2 de la chemise rotative 3 contre les aubes 4 dépend de la vitesse de rotation du rotor 5, en sorte que le mouvement de glissement relatif est automatiquement maintenu en condition optimale Cela résulte du fait qu'un compresseur rotatif du type à dé- placement a généralement sa pression de décharge qui croit non proportionnellement, mais graduellement avec le nombre de tours par minute quand le nombre de tours excède un certain seuil, alors que Rl, de même que R 2, augmente en proportion avec la pression de décharge et le nombre de tours Les aubes 4 glissent contre la chemise rotative 3 avec une friction due à R 2 qui est nettement plus petite que Rl dans la gamme des vitesses de rotation rela- tivement lente, et la chemise rotative 3 glisse sur le car- ter central 22 avec une friction due à Rl qui est net- tement plus petite que R 2 dans la gamme des vitesses de -8- rotation relativement hautes Ainsi, la résistance de friction est toujours petite dans toute la gamme des vitesses de rotation et, en conséquence, la chaleur géné- rée par cette résistance de friction est minimisée L'é- quilibre est facilement réglé pour s'adapter aux condi- tions de marche par ajustement du nombre et des débits des valves 91 et du nombre d'aubes 4. Dans le but d'améliorer le fonctionnement de la cham- bre de pression 9 dans le compresseur selon l'invention, tel que cela est représenté sur la fig 3, il-est désirable d'équiper à la fois la chemise rotative et les deux carters de côté avec, de chaque côté, des joints annulaires 81. Le carter avant 21 comprend, à une position annulaire correspondant à la chemise rotative 3, une rainure 211 dans lequel le joint annulaire 81 est inséré Le carter avant 21 est pressé contre la chemise rotative 3 par un organe élastique 82, par exemple un ressort ou un anneau en 0, pour maintenir l'étanchéité entre la chemise rotative 3 et le carter avant 21 Le joint annulaire 81 a sa lèvre 811 tour- née vers la chambre de pression 9 dans les compresseurs pour taux de compression usuels, mais tourné vers le rotor 5 dans les compresseurs à taux de compression particulièrement éle- vés L'autre joint annulaire, de l'autre côté, est disposé de façon similaire dans le carter arrière Les deux joints annulaires peuvent être montés sur les côtés opposés de la chemise rotative dont l'épaisseur est suffisament grande. Le joint annulaire 81 isole la chambre de compression de la chambre de pression 9 L'organe élastique 82, en coopération avec le joint annulaire 81, empêche toute déviation axiale de la chemise rotative 3 et lui permet donc une rotation sta- ble. Comme on peut le voir sur la fig 4, un clapet de contrô- le 97, s'ouvrant dans le passage dehaute pression 92, est -9- disposé dans le perçage 96 entre la chambre de décharge 63 et le passagede haute pression 92, pour empêcher la pression statique régnant dans la chambre de pression 9 d'être per- turbée par des fluctuations de pression émanant de la chambre de décharge 63 Le clapet de contrôle 97 maintient une certaine valeur de pression gazeuse à l'intérieur de la chambre de pression 9 et du passagede haute pression 92, en coopération avec le clapet de contrôle 90 situé dans l'orifice d'échappement 94; ainsi, lorsque le compresseur est arrêté, sa chemise rotative 3 reste supportée par la pression gazeuse immédiatement après sa remise en route. Aussi longtemps que la pression dans la chambre 9 est insuffisante pour permettre à la chemise rotative 3 de tour- ner sans heurt pendant la période de mise en earche, des gui- des annulaires 83 l'empêchent d'osciller dans le carter central 22, comme montré sur la fig 5 Trois guides annulaires 83 sont disposés au centre et sur les extrémités opposées du carter central 22 de façon à définir des jeux relativement très petits sur la surface extérieure de la chemise rotative 3. Les guides annulaires 83 supportent la chemise annulaire 3 seulement dans la période de mise en marche, pendant laquelle ni la pression statique, ni la pression dynamique, n'existent dans la chambre de pression 9, jusqu'à ce que celle-ci soit suffisament mise en pression pour rendre flottante la chemise rotative 3 De la sorte, les guides annulaires 83 ne viennent jamais en contact avec la chemise annulaire 3 pendant la marche normale, quand cette chemise annu- laire 3 tourne à haute vitesse En plus des deux guides annulaires, inévitables, aux extrémités opposées, on prévoit un ou plus d'un guides annulaires centraux pour diviser la chambre de pression 9 en deux ou plus de deux sections annu- laires, dans le but de réduire significativement le volume de la chambre de pression 9 rapporté à chaque clapet 91 et d'augmenter la pression dynamique convertie par le clapet 2514427 91 Ainsi, il est désirable qu'à chaque section annulaire. de la chambre de pression 9 corresponde un clapet individuel 91, comme représenté sur la fig 5 Le guide annulaire 83 comprend une fente ou un trou, non représenté, qui con- S duit à l'orifice d'échappement 94 de la fig 4, ceci afin de donner un passage à la pression statique de là chambre de pression. Le compresseur du type sans huile représenté sur les dessins est constitué de pièces en matériaux résistants à l'usure Par exemple, la chemise rotative 3, l'organe glissant le plus important, est fait dans des céramiques légères et àpeu d'inertie,telles que les nitrures de sili- cone Les aubes 4 sont fabriquées dans des carbones légers et de peu d'inertie ou dans des alliages légers tels que des alliages d'aluminium, qui sont durcis en surface par oxydation anodique ou analogue de façon à acquérir des propriétés de résistance à l'usure et à la fatigue. Les guides annulaires 83, qui viennent occasionnellement en contact direct avec la-chemise rotative 3, sont faits dans un polytetrafluoroéthylène ou dans un matériau semblable à celui des aubes 4 De préférence, les carters sont faits dans des alliages légers et conducteurs de la chaleur tels que les alliages d'aluminium Avantageusement, le carter central 22 est durci par oxydation anodique, ou fait dans des matériaux ferreux. De ce qui précède, on comprend que le compresseur se- lon l'invention peut supporter la chemise rotative dans une large gamme de vitesses de rotation en utilisant les pressions statique et dynamique d'un fluide compressible, si on compare avec un compresseur conventionnel utilisant un fluide incompressible pour supporter la chemise rotati- ve Le compresseur génère relativement peu de chaleur par friction de glissement, parce que la chemise rotative il - glisse à la fois contre les aubes et contre le carter central avec des forces de résistance petites De la sorte, il convient particulièrement comme compresseur d'alimen- tation pour automobiles, devant opérer à des rapports de compression élevés et à hautes performances. 12 - REVENDICATIONS 1 Compresseur rotatif comprenant des carters avant ( 21), central ( 22) et arrière ( 23), une chemise rotative ( 3) montée libre en rotation dans le carter central ( 22),- un rotor ( 5) disposé excentriquement dans la chemise rotative ( 3), plusieurs vannes ( 4) disposées dans le rotor ( 5) et mobiles en coulissement radial, une chambre de décharge ( 63) située dans au moins l'un des carters avant ( 21) ou arrière ( 23), caractérisé en ce que: (a) une chambre de pression ( 9) est définie par un volume compris entre le carter central ( 22) et la chemise rotative ( 3) et est connectée à la chambre de décharge ( 63) à travers au moins un passage de haute pression ( 92), et (b) ces passages de haute pression ( 92) débouchent dans la chambre de pression ( 9) à travers au moins une valve ( 91) de façon à supporter la chemise rotative ( 3) par au moins une des pressions statique de la chambre de pression ( 9) et dynamique du fluide s'écoulant à travers la valve ( 91 > depuis le passage à haute pression ( 92) vers la chambre de pression ( 9). 2 Compresseur rotatif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la chemise rotative ( 3), ainsi que les carters avant ( 21) et arrière ( 23), présente des joints annulaires( 81) avant et arrière disposés entre eux. 3 Compresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le joint annulaire ( 81) est pressé contre la chemise rotative ( 3 > par un organe élastique ( 82). 13 - 4 Compresseur rotatif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le joint annulaire ( 81) a une lèvre ( 811) en contact avec la chemise rotative ( 3). Compresseur rotatif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce-que:le carter central présen- te au moins deux guides annulaires ( 83) disposes aux ex- trémitésavant et arrière de sa surface intérieure. 6 Compresseur rotatif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que au moins un des guides annulaires ( 83) est disposé centralement de façon à diviser la chambre de pres- sion ( 9) en plusieurs sections annulaires, chaque section annulaire étant connectée au passage de haute pression ( 92) à travers au moins une des valves ( 91). 7 Compresseur rotatif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le passage de haute pression ( 92) est connecté à la chambre de décharge ( 63) par un clapet de contrôle ( 97). 8 Compresseur rotatif selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que le-passage -de;haute pression t 92) com- prend un passage annulaire commun ( 93) formé dans le carter central ( 22) et un perçage ( 96) formé dans un carter de côté. 9 Compresseur rotatif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en-ce que la-chambre de -pression X 9) est munie d'un orifice d'échappement ( 94). 10 Compresseur rotatif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'orifice d'échappement ( 94) est muni d'un clapet de contrôle ( 90).