Brevet FR2531486A1 — publié le 19840210

Machine volumétrique d palettes. L'invention concerne une machine volumetrique a palettes, qui peut être utilisée pour la détente ou pour la compression d'un fluide de travail. o Une machine volume trique à palettes comprend un corps délimitant un volume cylindrique et poùrvu d'orifices d'admission et d'échappement du fluide de travail, et un rotor portant des palettes radiales, logé dans le corps et relié à l'arbre de la machine. Le rotor est monté excentré dans le volume cylindrique et tourne autour d'un axe parallèle à l'axe dudit volume. Les palettes partagent l'espace annulaire formé entre le rotor et le corps en chambres de travail, pour la détente ou la compression du fluide, selon la destination de la machine à palettes. Dans les machines à palettes connues, les extrémités radialement externes des palettes sont appliquées, par la force centrifuge résultant de la rotation du-rotor, sur la surface cylindrique interne du corps. Les frottements de ces extrémités des palettes sur la surface interne du corps sont réduits autant que possible par lubrification, mais constituent néanmoins l'essentiel des pertes mécaniques de la machine à palettes et;interdisent des vitesses de rotation élevées du rotor, d'où une limitation tres importante des puissances nominales de ces machines. L'invention a notamment pour but de supprimer ou, au moins, de réduire dans une treks large mesure cet inconvénient. Elle propose à cet effet une machine volumétrique à palettes comprenant un corps délimitant un volume interne sensiblement cylindrique et comprenant des orifices d'admission et d'échappement d'un fluide de travail, un rotor monté excentré à rotation dans le corps autour d'un axe parallèle à celui dudit volume, des palettes reçues dans des fentes radiales du rotor et partageant l'espace annulaire entre le rotor et le corps en chambres de travail, caractérisée en ce que les extrémités radialement externes desdites palettes sont maintenues écartees de l-a surface cylindrique interne du corps d'une distance relativement faible, permettant de supprimer sensiblement tous les frottements entre cette surface et lesdites extrémités des palettes. L'invention permet ainsi, en maintenant un jeu très faible entre les extrémités des palettes et la surface interne du corps, de réduire dans une proportion de 98 % la puissance a-bsorbée par le frottement des palettes dans le corps. Il devient donc possible de faire tourner le rotor à des vitesses beaucoup plus élevées que celles gui étaient admises jusqu'à présent, et de réaliser des machines à palettes ayant des puissances nominales beaucoup plus importantes que dans la technique antérieure. Selon un corollaire de l'invention, une machine à palettes peut être réalisée, pour une puissance donnée, avec des dimensions beaucoup plus faibles que dans la technique antérieure. Cette réduction des dimensions réduit d'autant les pertes qui se produisent par le jeu entre les extrémités radialement externes des palettes et là surface interne du corps, ces pertes étant alors du même ordre de grandeur que dans une machine à palettes de même puissance appartenant à la technique antérieure. Une telle machine à palettes peut être utilisée de façon très intéressante comme organe de détente dlun fluide sous pression, par exemple dans des dispositifs de récupération d'énergie thermique associés à des moteurs thermiques tels que des moteurs à combustion interne ùu, de façon aussi avantageuse, comme compresseurs dans des installations frigorifiques de moyenne et de forte puissance. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les extrémités longitudinales des palettes présentent des tenons, pattes ou talons en saillie qui sont engagés avec jeu dans des rainures annulaires de deux pièces ou bagues disposees aux extrémités longitudinales du rotor dans des logements présentés par des flasques d'extrémité du corps du moteur. Avantageusement, ces bagues sont montées rotatives autour de l'axe du volume cylindrique du corps et sont supportées par des coussinets ou des roulements à billes montés dans les flasques d'extrémité du corps. La puissance absorbée par frottement dans les coussinets ou roulements portant les bagues de retenue des palettes représente, pour une vitesse de rotation de l'ordre de 3000 tours/minute, moins de 1 % de la puissance qui serait absorbée par le frottement des palettes dans le corps Selon encore une autre caractéristique de l'invention,le volume cylindrique interne -précité est délimité dans le corps par une chemise fixe amovible sensiblement cylindrique, dans laquelle le rotor est logé et qui présente des fentes ou lumières parallèles en arc de cercle correspondant aux orifices d'admission et d'échappement du corps. La disposition d'une telle chemise dans le corps permet, d'une part de faciliter l'usinage et la fabrication du corps de la machine à palettes et, d'autre part, de modifier les caractéristiques de cette machine, ainsi que sa destination (détente ou compression d'un fluide de travail), en changeant ladite chemise Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un moteur à palettes comprenant une chemise selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale de ce moteur. La figure 3 est une vue en coupe transversale de la chemise, selon la ligne-III-II de la figure 4. La figure 4 est une vue en coupe axiale de cette chemise, selon la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 5 est une vue en coupe transversale du rotor, représentant une autre caractéristique de l'invention. La figure 6 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un moteur à palettes selon l'invention. La figure -7 est une vue en coupe transversale de ce moteur, selon la ligne brisée VI-VI de la figure 6. On se réfère d'abord aux figures 1 à 5, qui représentent schématiquement une machine volumétrique à palettes comprend nant certaines des caractéristiques de l'invention. Cette machine comprend un corps 10 de forme sensiblement cylindrique, comportant un canal 12 d'admission et un canal 14 d'échappement du fluide de travail. Ces canaux débouchent sensiblement radialement dans le corps 10, respectivement dans une chambre d'admission 16 et une chambre d'échappement 18, qui sont séparées l'une de l'autre par des saillies internes 20 et 22, à surface interne cylindrique, du corps 10 (figure 2). Ces saillies 20 et 22 forment des surfaces d'appui et de positionnement d'une chemise cylindrique 24 qui est fixée amoviblement par tous moyens appropriés sur ces saillies. La chemise interne 24 comprend (figures 3 et 4) des fentes ou lumières transversales parallèles 26 et 28 d'admission et d'échappement respectivement, les lumières d'admission 26 destinées à déboucher dans la chambre d'admission 16 du corps étant plus courtes que les lumières d?échappement 28 destinées à déboucher dans la chambre d'échappement 18 de ce corps. A l'intérieur de la chemise 24 est disposé un rotor cylindrique 30 dont les extrémités axiales sont raccordées par des portées cylindriques 32 à des bouts d'arbre 34 et 36 respectivement, de même axe que le rotor 30 et les portées cylindriques 32. L'arbre 34 forme l'arbre de sortie de la machine à palettes, tandis que le bout d'arbre opposé 36 permet l'actionnement d'une pompe à huile, comme cela sera décrit dans ce qui suit. Le corps 10 (figure 1) est fermé, à ses extrémités axiales, par deux flasques annulaires 40 fixés au corps 10 par des goujons filetés 42. Les flasques annulaires 40 sont traverses axialement avec jeu par les portées cylindriques 32 du rotor 30.'Les bouts d'arbre 34 et 36 sont supportés,-de part et d'autre des flasques 40, par des coussinets ou roulements 44 logés dans des boites cylindriques 46 fixées au moyen de goujons filetés 48 sur les flasques 40. Les extrémités axiales des boîtes 46 sont fermées par des plaques 50 et 52 respectivement portant des garnitures d'étanchéité 54 traversées par les bouts d'arbre 34 et 36 respectivement. Sur la plaque 52 est fié, par des boulons, un carter 56 présentant en partie supérieure un orifice ou raccord 58 d'arrivée d'huile dè lubrification.A l'intérieur du carter 56 est logée une pompe à huile 60 entraînée- 'par le bout d'arbre 36 au moyen d'un excentrique 62 solidaire du bout d'arbre et d'un xoulement 64 interposé-entre l'excentrique 62 et un plongeur 66 de la pompe 60. La sortie de la pompe à huile 60 est reliée par un canal 68 de la plaque porte-garniture 52 et par des conduits (non représentes) à des canaux 70 formés dans les boîtes 46 pour diriger l'huile dans l'espace compris entre les roulements 44 et les flasques 40. L'huile ainsi amenée dans les boîtes 46 est à une pression supérieure à la pression du fluide dans le corps 10 et peut lubrifier les roulements 44 et gagner l'intérieur du corps 10 en passant par le faible jeu annulaire formé entre les portées cylindriques 32 du rotor et les alésages correspondants des flasques 40. Les boîtes 46 présentent également des canaux 72 d'évacuation d'huile. Le rotor 30 comprend (figure 2) des fentes sensiblement radiales 74 débouchant sur sa périphérie extérieure, dans lesquelles sont introduites des palettes 76 de forme sensiblement rectangulaire plane. Les palettes 76 sont destinées à être appliquées, par leur extrémité radialement externe, sur la surface interne de la chemise cylindrique 28, en partageant l'espace annulaire compris entre la surface périphérique du rotor et la surface interne du corps 10 et/ou de la chemise 24 en chambres de travail du fluide amené à la machine à palettes. Dans le mode de réalisation de la figure 1, les palettes 76 sont également guidées, au voisinage de leurs extrémités longitudinales ou axiales, par des épaulements cylindriques 78 des flasques 40, épaulements sur lesquels portent les côtés longitudinaux internes 80 desdites palettes. Les épaulements cylindriques 78 ont le même axe que la chemise 24 et sont donc excentrés par rapport au rotor 30. Ainsi, quand le rotor 30 tourne autour-de son axe de rotation, qui est l'axe des bouts d'arbre 34 et 36, chaque palette 76 est amenée à occuper les différentes positions représentées en figure 2. Les frottements des bords des palettes sur la surface interne de la chemise 24, sur les faces internes des flasques 40 et sur les épaulements cylindriques 78, sont réduits par lubrification, grâce à l'huile fournie par la pompe 60, amenée à l'intérieur du corps 10 et de la chemise 24 le long des portées cylindriques 32 du rotor'30. Pour réduire encore ces frottements, l'invention prévoit (figure 5) que les fentes radiales 74 formées dans le rotor 30 pour le logement des palettes soient légèrement inclinées par rapport à une orientation radiale, de telle sorte que le bord radialement externe des palettes soit légèrement décalé en arrière par rapport au sens de rotation du rotor 30, indiqué par la flèche 82. Cette mesure favorise la formation d'un coin d'huile entre le bord longitudinal radialement externe des palettes et la surface interne de la chemise 24. Un mode de réalisation préféré de l'invention, représenté aux figures 6 et 7, permet de supprimer les frottements qui, dans la technique antérieure, représentent les pertes mécaniques de la machine à palettes, des essentiellement à l'application sous l'effet de la force centrifuge, quand le rotor est entraîné en rotation, des bords longitudinaux radialement externes des palettes sur la surface interne de la chemise. Dans ces figures, on n'a représenté qu'une partie dune machine à palettes selon l'invention, mais cette partie est largement suffisante pour la compréhension de l'invention. Le corps de la machine est désigné par la référence 90 et comprend, comme dans le mode de réalisation précédente une chemise interne cylindrique 92 d'axe 94. Dans cette chemise est logé un rotor 96 monté à rotation autour d'un axe 98 parallèle à l'axe 94. Le rotor présente, comme précédemment décrit, des fentes sensiblement radiales 100 débouchant sur sa surface périphérique extérieure et recevant des palettes 102. Ces palettes présentent, à leurs extrémités longitudinales ou axiales, des tenons, pattes ou talons 104 s'étendant dans le plan desdites palettes et prolongeant leur bord longitudinal interne 106. Ces talons, de forme rectangulaire, sont engagés dans les rainures cylindriques 104 d'axe 94 de deux bagues annulaires cylindriques 110 également d'axe 94 disposées de part et d'autre du rotor Chaque bague 110 est logée avec un jeu faible dans l'alésage 112 d'un flasque d'extrémité 114 du corps 90 du moteur La portée cylindrique 122 de la plaque 124 est traversée avec un jeu faible par une partie cylindrique 128 du rotor 96, qui se termine par un bout d'arbre 130 correspondant par exemple au bout d'arbre 36 de la figure 1. Comme dans le mode de réalisation précédent, la boite à roulement 126 présente au moins un canal 132 d'amenée d'huile et un canal 134 de sortie d'huile. La plaque 124 comprend au moins un perçage 136 débouchant à ses extrémités dans la boîte à roulement 126 et entre les deux cages 116 et 120 du roulement à billes, respectivement, tandis que la bague 110 présente également au moins un perçage 138 dont les extrémités débouchent respectivement entre les deux cages du roulement à billes et dans le fond de la rainure annulaire 108. Comme dans le mode de réalisation précédent, l'huile peut circuler également entre la partie cylindrique 128 du rotor 96 et la surface interne de la portée cylindrique 122 de la plaque 124, pour parvenir à l'intérieur du corps 90. s Les talons 104 formés aux extrémités longitudinales des palettes 102 ont pour but de préserver un jeu très faible entre la surface cylindrique interne de la chemise 92 et les bords longitudinaux externes 140 des palettes, pour éviter leur frottement. Le jeu en question peut être extrêmement faible, de l'ordre de quelques microns, mais peut également atteindre des valeurs de 1 à 2 centièmes de millimètre. Quand le rotor 96 est entraîné en rotation, les talons 104 des palettes 102 entraînent en rotation la bague 110 autour de l'axe 94. De préférence, les faces radialement externes et radialement internes des talons 104 sont convexes, comme on le voit en figure 7. Les bords longitudinaux externes 140 des palettes 102, qui sont guidées par leurs talons 104 dans les rainures 108 des bagues 110, décrivent une conchoïde de cercle quand le rotor 96 est entraîné en rotation. Pour que le jeu entre le bord externe 140 d'une palette et la surface interne de la chemise 92 reste constant quand le rotor tourne, il faut que cette surface interne ait également la forme d'une concholde de cercle. Si la surface interne de la chemise 92 était parfaitement cylindrique à section circulaire, ce jeu varierait, ce qui se traduirait par une augmentation des pertes entre les différentes chambres de travail limitées par les palettes 102. En fonction des besoins, les roulements à billes 116, 118, 120 portant les bagues 110 peuvent être remplacés par des coussinets, des paliers lisses, des paliers à fluide, etc. La suppression des frottements entre les bords externes 140 des palettes et la surface interne de la chemise 92 permet au moins de doubler la vitesse de rotation du rotor, et ce doublement de la vitesse de rotation se traduit, toutes choses égales par ailleurs, par un doublement de la puissance du moteur à palettes. Le fluide de travail peut être un liquide ou un gaz, par exemple de la vapeur d'eau, un fluide organique, de l'air, de l'huile, etc. Les machines à palettes selon l'invention, quand elles sont utilisées en organes de détente d'un gaz sous pression, peuvent être utilisées dans de très larges gammes de puissance et présentent de nombreux avantages par rapport aux autres-organes de détente concurrents. Les machines selon l'invention peuvent également être utilisées en compresseurs (il suffit pour cela de modifier l'étendue des chambres et lumières d'admission et d'échap- pement) et présentent de nombreux avantages par rapport aux compresseurs à pistons alternatifs ou aux compresseurs à vis, tels que ceux utilisés dans les installations frigorifiques de grande puissance. Revendications. 1. Machine volumétrique à palettes, comprenant un corps délimitant un volume interne sensiblement cylindrique et comprenant des orifices d'admission et d'échappement d'un fluide de travail, un rotor monté excentré à rotation dans le corps autour d'un axe parallèle à celui dudit volume, des palettes reçues dans des fentes radiales dudit rotor et partageant l'espace annulaire entre le rotor et le corps en chambres de travail, caractérisée en ce que les extrémités radialement externes (140) des palettes (102) sont maintenues écartées de la surface sensiblement cylindrique interne du corps (90, 92) d'une distance relativement faible, permettant de supprimer sensiblement tous-les frottements entre cette surface et lesdites extrémités (140) des palettes (102). 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les extrémités longitudinales des palettes (102) présentent des talons en saillie (10a) qui sont engagés avec un jeu faible dans des rainures annulaires (108) de deux bagues (110) disposées aux extrémités longitudinales du rotor (96) dans des alésages (112) de deux flasques d'extrémités (114) dudit corps (90). 3. Machine selon la revendiÇatlon 2, caracterisée en ce que lesdites rainures annulaires (108) sont-coaxiales au volume cylindrique dans lequel le rotor (96) est reçu. 4. Machine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que lesdites bagues (110) sont montées rotatives autour de l'axe (94) dudit volume cylindrique et sont supportées par des coussinets ou roulements à billes (116, 118, 120) montés dans lesdits flasques d'extrémités (114). 5. Machine selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que des canaux de lubrification (138) sont formes à travers lesdites bagues (110) et débouchent dans les rainures annulaires (108). 6. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit volume cylindrique est délimité dans le corps (10, 90) par une chemise fixe amovible (24, 92) sensiblement cylindrique, dans laquelle le rotor (30, 96) est logé et qui présente des fentes ou lumières (26, 28) parallèles en arc de cercle correspondant aux orifices d'admission (12) et d'échappement (14) du corps. 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite chemise (92) est de forme conchoidale de telle sorte que le jeu entre l'extrémité radialement externe (140) d'une palette et la surface interne de ladite chemise (92) reste constant au cours de la rotation du rotor. 8. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les palettes (76, 102) sont légèrement inclinées par rapport à une orientation radiale, de telle sorte que leur extrémité radialement externe est légèrement décalée en arrière par rapport au sens de rotation du rotor. 9. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle fonctionne en organe de détente d'un fluide sous pression qui cède de l'énergie au rotor. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 a 8, caractérisée en ce qu'elle fonctionne en compresseur d'un fluide de travail.