Brevet FR2527701A1 — publié le 19831202

" Machine à vis fonctionnant à sec ". L'invention concerne une machine à vis fonctionnant à sec pour la compression ou l'expansion de fluides gazeux, avec engrènement entre un rotor principal présen- tant des nervures hélicoïdales et un rotor auxiliaire prée sentant des rainures hélicoïdales, l'un de ces rotors étant relié à une commande d'amenée ou d'absorption de puissance, une partie de la puissance amenée ou absorbée étant transmise à l'autre rotor ou par ce rotor. Les machines à vis du type indiqué précédemment, désignées également par machines à pistons rotatifs désaxés, sont utilisées en tant que compresseurs, une puissance d'entrainement étant amenée pour comprimer un gaz, ou en tant que moteurs à détente, un gaz détendu dans la chambre de travail faisant tourner les deux ro- tors et une puissance motrice étant prélevée sur l'un des rotors. Suivant l'état *de développement actuel, on distin- gue essentiellement deux types de machines à vis, à savoir les machines à vis fonctionnant à sec et les machines à vis à injection Dans les machines fonctionnant à sec, on n'envoie dans la chambre de travail que le fluide gazeux à comprimer ou à détendre Dans ces machines fonctionnant à sec, les arbres des deux rotors sont essentiellement reliés entre eux par un mécanisme de synchronisation qui synchronise la rotation des rotors entre eux de façon telle que le contact direct entre les flancs des rotors est évité La transmission de puissance entre le rotor principal et le rotor auxiliaire a donc lieu exclusivement par l'intermédiaire du mécanisme de synchronisation. Jusqu'à maintenant ce mécanisme a été tenu pour absolu- ment nécessaire, sans exception En effet, le contact direct avec transmission de puissance entre des éléments tournants non lubrifiés devait, d'après toute l'expérien- ce acquise dans la construction des machines, conduit à " O un grippage immédiat et à l'arrêt des éléments Ce contact direct n'était donc pas considéré comme admissible dans les machines destinées à une mise en application pratique. On a accepté les inconvénients résultant de l'utilisation d'un mécanisme de synchronisation, à savoir: dépense de _ 5 construction plus élevée, encombrement accru, perte de puissance et émission de bruits par le mécanisme de syn- càronisation lui-même ainsi que diminution de la capacité de compression par l'intervalle qui existe constamment entre les rotors qui ne sont pas en contact. Ces inconvénients n'existent pas dans les machines à vis du deuxième type de construction, à savoir les machines à vis à injection, qui se sont surtout répandues ces deux dernières années Dans ce type de construction, on assure le graissage, le refroidissement et l'étan- chéité d'intervalle des rotors en injectant dans la cham- bre de travail de l'huile ou un autre liquide lubrifiant, cette injection ayant lieu à des débits élevés qui peuvent atteindre plusieurs fois le débit massique du fluide de travail gazeux Les rotors ainsi lubrifiés et refroidis de façon intensive peuvent être en contact direct avec transmission de puissance et on n'utilise pas de méca- nisme de synchronisation Par rapport aux machines fonc- tionnant à sec, ce type de construction présente les avantages d'une dépense de construction réduite et d'une pression possible de compression ou de détente plus élevée en raison du refroidissement amélioré et de l'étanchéité réciproque des rotors Cependant, un inconvénient consi- dérable des machines à vis à injection consiste en ce que le fluide de travail se mélange à l'huile ou au liquide de refroidissement et de lubrification, ce fluide étant pollué Des dispositions onéreuses et qui n'ont souvent qu'une efficacité insuffisante sont nécessaires pour séparer le liquide du fluide de travail. L'invention a pour but de créer une machine à vis plus simple et moins chère que les machines actuelles fonctionnant à sec avec un mécanisme de synchronisation, cette machine ne présentant cependant pas les inconvé- nients liés à l'injection d'huile. L'invention concerne à cet effet une machine à vis du type ci-dessus caractérisée en ce que la transmission de puissance de l'un des rotors à l'autre a lieu directe- ment par les flancs des nervures hélicoïdales et des rainures hélicoïdales des rotors qui sont en contact à sec sans introduction d'un lubrifiant dans la chambre de travail et qui ne sont pas synchronisés par un mécanisme de synchronisation. Au cours d'essais, on a constaté de façon supre- nante que la règle, suivie sans exception jusqu'à mainte- nant par les spécialistes, consistant à faire fonctionner, une machine à sec avec un mécanisme de synchronisation évitant le contact direct entre les flancs des rotors, était inutile Contre toute attente, on a constaté qu'une machine fonctionnant à sec avec un contact direct avec transmission de puissance entre les flancs des rotors pouvait fonctionner sur une longue période sans apparition de phénomènes d'usure ou de phénomènes simi- laires. La simplification obtenue par l'invention vis-à-vis des machines actuelles fonctionnant à sec avec un mécanis- me de synchronisation est manifest e; il en est de même vis-à-vis des machines à vis avec injection d'huile En outre, et de façon surprenante, la machine à vis conforme à l'invention est de fonctionnement plus sûr que les machines actuelles avec mécanisme de synchronisation. Dans les machines munies d'un mécanisme de synchro- nisation, il arrive toujours que de faibles déplacements dans le mécanisme de synchronisation conduisent à des défauts de synchronisation entre les rotors, ce qui pro- voque bien un contact entre les flancs des rotors et donc des forces imposées entre les zones de contact mutuel et les flancs des rotors, d'une part, et dans le mécanisme de synchronisation, d'autre part Les forces ainsi déve- loppées peuvent être notablement plus grandes que les forces nécessaires pour une transmission de puissance normale et elles conduisent à des phénomènes de grippage, d'usure et de surchauffe ainsi qu'à l'endommagement de la machine Il est manifeste que ces phénomènes, qui se présentent en cas de défauts dans les phases de synchro- nisation, ont renforcé chez les spécialistes l'opinion qu'une synchronisation précise des rotors, évitant tout contact, était absolument nécessaire. Par contre, dans la machine conforme à l'invention, de tels inconvénients et dégâts provoqués par des défauts de synchronisation ne peuvent pas se produire Il en résulte que les forces à transmettre par le contact direct des flancs des rotors ne sont que les forces né- cessaires pour transmettre une partie de la puissance d'un rotor à l'autre On a constaté que ces forces étaient suffisamment faibles et, en outre, réparties sur une grande partie de la longueur des rotors pour que la sollicitation par pression dans les zones de contact soit suffisamment faible et pour que des phénomènes exagérés d'usure et de grippage ne se produisent pas, malgré le fonctionnement à sec pendant une longue période de temps. Un autre avantage vis-à-vis des machines actuelles fonctionnant à sec avec un mécanisme de synchronisation est que la machine est moins sujette aux vibrations de torsion des arbres des rotors Dans les machines connues, le système rotor-arbre-mécanisme constitue un système vibrant dans lequel peuvent s'établir des vibrations de torsion désagréables Un autre avantage consiste en ce qu'on peut obtenir des puissances de compression plus élevées qu'avec les machines munies d'un mécanisme de synchronisation En effet, l'intervalle entre rotors main- tenu constamment ouvert par le mécanisme de synchronisa- tion n'existe plus. Par rapport aux machines à vis à injection, la machine à vis conforme à l'invention présente tous les avantages des machines fonctionnant à sec, notamment en ce qui concerne le maintien à l'état pur du fluide de travail et la suppression de tous les dispositifs néces- saires pour l'amenée, la séparation et le recyclage du liquide de graissage et de refroidissement. Suivant un développement avantageux de l'invention, on peut réduire davantage un risque éventuel d'usure suivant les flancs de rotors en contact direct en munis- sant l'un des rotors ou les deux rotors d'une couche réduisant l'usure, au moins dans le domaine de contact entre leurs flancs Il est particulièrement avantageux que les surfaces des flancs des deux rotors soient consti- tuées en matières différentes formant un couple de matières donnant des conditions de frottement particu- lièrement favorables Des exemples de tels couples de matières sont les couples acier/fonte grise, acier/bronze, acier/laiton, fonte grise/bronze et fonte grise/laiton. Une autre possibilité consite dans le choix d'une couche de surface particulièrement dure constituée en to- talité ou en grande partie par du carbure de silicium ou d'autres carbures. Etant donné que la machiae conforme à l'invention est une machine fonctionnant à sec, le refroidissement' des flancs des rotors en contact avec transmission de puissance est essentiellement assuré par le fluide de travail gazeux On a constaté qu'on obtenait ainsi en règle générale un refroidissement suffisant, en tenant compte de ce que chaque flanc de rotor n'est en contact avec l'autre rotor que pendant une fraction de chaque tour, par exemple égale à 600, ce flanc étant librement balayé par le fluide de travail gazeux pendant la frac- tion restante du tour En fonction de la compression ou de la détente du fluide gazeux produite par la machine, il peut s'établir une différence de température considé- rable du fluide de travail sur la longueur de la chambre de travail, l'une des extrémités de la machine, à savoir t 5 l'extrémité d'entrée dans le cas du fonctionnement en compresseur, étant l'extrémité froide" de-la machine. Dans cette zone froide, l'effet de refroidissement exercé par le fluide de travail sur les rotors est particulière- ment bon Il est en conséquence prévu, suivant une caractéristique avantageue de l'invention, que le contact direct avec transmission de puissance entre les flancs des rotors ait lieu exclusivement ou principalement dans cette zone froide de la chambre de travail Cela peut être obtenu par une distribution différenciée sur la lon- gueur de chaque rotor du jeu entre les rotors Par exem- ple, les flancs des rotors peuvent être usinés avec des tolérances de grandeur croissante de l'extrémité froide à l'extrémité chaude On peut également régler la distri- bution inégale du jeu par une légère divergence entre les deux axes des rotors. Dans un exemple de réalisation de l'invention, la machine à vis fonctionne en tant que compresseur, le rotor principal étant entrainé et 10 à 15 % de la puis- sance d'entraînement amenée devant être transmis au rotor auxiliaire Avec le type *de construction actuel, cela est obtenu par l'intermédiaire d'un mécanisme de synchroni- sation lubrifié à l'huile avec un rendement de 98 % en- viron On obtient ainsi une fraction de puissance de per- tes égale à 15 % x 2 % = 0,3 % de la puissance totale de la machine Cette puissance de pertes doit être évacuée avec l'huile de lubrification du mécanisme de synchroni- sation. Dans la machine conforme à l'invention, le mécanis- me de synchronisation est supprimé et la transmission de 15 % de la puissance au rotor auxiliaire a lieu par con- tact direct entre les rotors Le rendement de cette trans- mission de puissance est inférieur à celui d'un mécanisme de synchronisation lubrifiéà l'huile et peut être estimé à 80 %, des améliorations de ce rendement devant être possibles par des profils de flancs appropriés et/ou un choix approprié de la matière des flancs des rotors En conséquence, il se produit dans la chambre de travail, en plus de pertes thermodynamiques, une puissance de pertes de 15 % x 20 % = 3 % de la puissance totale provoquée par la transmission de puissance Mais cette puissance de pertes peut être directement absorbée par le fluide de travail et être évacuée sans provoquer une surchauffe des rotors. R E V E N D I C A T I O N S ) Machine à vis fonctionnant à sec pour la com- pression ou l'expansion de fluides gazeux, avec engrène- ment entre un rotor principal présentant des nervures hélicoïdales et un rotor auxiliaire présentant des rainu- res hélicoïdales, l'un de ces rotors étant relié à une commande d'amenée ou d'absorption de puissance, une par- tie de la puissance amenée ou absorbée étant transmise à l'autre rotor ou par ce rotor, caractérisée en ce que la transmission de puissance de l'un des rotors à l'autre a lieu directement par les flancs des nervures hélicolda- les et des rainures hélicoïdales des rotors qui sont en contact à sec sans introduction d'un lubrifiant dans la chambre de travail et qui ne sont pas synchronisés par un mécanisme de synchronisation. ) Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'un des rotors ou les deux rotors sont munis d'une couche réduisant l'usure, au moins dans le domaine de contact entre leurs flancs. 30) Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les surfaces des flancs des rotors sont cons- tituées au moins dans le domaine d'engrènement en matiè- res différentes formant un couple de matières réduisant le frottement. 40) Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de surface est très dure et est constituée en totalité ou en partie par du carbure de silicium ou d'autres carbures. ) Machine selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce que le Jeu entre les flancs des rotors est plus faible à l'extrémité froide de la machine qu'à l'autre extrémité, de sorte que la transmission de puissance a lieu principalement à l'ex- trémité froide des rotors.