Brevet FR2548285A1 — publié le 19850104

La présente invention concerne une machine volumétrique à palettes, fonctionnant en moteur ou en récepteur, et échangeant de l'énergie avec n'importe quel type de fluide. On a développé depuis longtemps des machines volumétriques è palettes, comportant essentiellement les éléments et dispositions ci-apres - un arbre par lequel la machine échange de l'énergie mdcanique avec l'extérieur, - un rotor calé sur cet arbre et présentant extérieurement une surface cylindrique de révolution, - un carter entourant ce rotor, constitué de flasques perpendi culaires à l'axe du rotor, ainsi que d'un corps tubulaire dont la surface intérieure cylindrique possède une directrice (courbe statorique) éventuellement non circulaire et des génératrices parallèles à l'axe du rotor, - un ensemble de palettes coulissant dans des rainures du rotor et en contact avec la surface intérieure du carter, de manière à séparer en plusieurs chambres de travail le volume utile compris entre le rotor et le carter1 - des lumières ou des clapets, commandés ou automatiques, per mettant l'admission et l'échappement du fluide. Dans beaucoup de machines modernes répondant à cette description, la surface intérieure du stator n'est pas de révolution, mais présente par rapport à son axe une symétrie ordre deux, son axe coïncidant avec celui du rotor, de manière à ménager entre le rotor et le stator deux volumes utiles dans les- quels le déplacement des palettes détermine l'évolution du fluide. On dit en abrégé de ces machines qu'elles présentent une symétrie d'ordre deux par rapport à leur axe. Dans ces machines, l'utilisation d'un nombre pair de palettes rend très variable dans le tour le couple de torsion à l'arbre moteur ou récepteur, surtout si le nombre de palettes est petit, de sorte que, lorsque l'on a des exigences sur la régularité du couple, on s'oriente naturellement vers des machines à nombre impair de palettes qui sont, de ce point de vue, nettement plus favorables. En contrepartie, ces machines connaissent des efforts transversaux variables et importants sur le rotor, qui entraînent des exigences nettement plus élevées sur la réalisation des paliers, mais n'ont pas, contrairement aux pulsations du couple de torsion, d'incidence sur le torseur des efforts transmis aux supports de la machine. L'invention s'applique aux machines présentant une symétrie d'ordre deux par rapport à leur axe et résidé dans une organisation bicellulaire d'une telle machine assortie de diverses dispositions particulières permettant de conférer à une machine à palettes plusieurs avantages techniques nouveaux et importants. Les machines conformes à l'invention utilisent deux rotors identiques à ceux que l'on utiliserait dans une machine classique, mais de longueur axiale en principe réduite de moitié. Ces deux rotors comportent chacun un nombre p de palettes et sont séparés dans la machine par un voile solidaire du stator ainsi divisé de manière à constituer une machine à deux cellules, dans laquelle les chambres de travail appartenant à des cellules différentes évoluent spatialement avec un retard ou une avance angulaire sopt = tp radian si le nombre p est pair et 'r opt W s = zp radian Si le nombre p est impair. opt 2p Ce décalage dans l'évolution spatiale des chambres de travail correspondant à des cellules différentes peut être obtenu de trois manières a) en décalant les rotors l'un par rapport à l'autre de l'angle sR = sopt dans une machine où les surfaces statoriques des deux cellules se correspondent dans une translation parallèle à l'axe. b) en calant sans déphasage les rotors l'un par rapport à l'au tre dans une machine où les surfaces statoriques des deux cellules se correspondent dans une rotation autour de l'axe de la machine d'amplitude Ss = Soptî suivie d'une translation selon cet axe. c) en combinant les deux manières précédentes de sorte que S +R opt- Considérons tout d'abord une machine ainsi concue dans laquelle le nombre p de palettes coulissant dans chacun des rotors est un nombre pair. Le calcul montre et l'expérience confirme qu'une telle machine se caractérise par des variations du couple de torsion applique à l'arbre par le fluide inférieures à celles que connaissent toutes les machines à palettes classiques, saut pour la machine conforme à l'invention comportant quatre palettes par rotor, qui présente des variations de couple très légèrement supérieures à la machine classique à cinq palettes. Contrairement à celle-ci cependant, la machine conforme à 11 invention dont le nombre p de palettes par rotor est pair, n'est le siège d'aucun effort transversal appliqué au rotor par le fluide et ses pa liers sont donc en principe libres de tout effort ayant le fluide pour origine. Dans les applications ou il est important de maintenir à un faible niveau les variations du couple à l'arbre d'une machine à palettes1 l'invention permet donc d'écarter le recours à une machine classique à nombre impair de palettes pour conserver les avantages techniques qui découlent de l'équilibre transversal spontané des parties tournantes dans une machine à nombre de palettes pair.O'autre part, l'invention rend pratiquement inu tile l'utilisation d'un nombre de palettes élevé et elle contribue ainsi à réduire les pertes organiques : une machine conforme à l'invention utilisant p palettes par rotor est à ce point de vue sensiblement équivalente à une machine classique à p palettes et l'invention permet de minimiser p : la machine la plu intéressante est celle qui comporte quatre palettes par rotor, les chambres de travail étant décalées de l'angle dont = = 450. opt Considérons ensuite une machine conforme à l'inventior dans laquelle le nombre p de palettes coulissant dans chaque rotor est impair. Le calcul montre et l'expérience confirme qu'une telle ma chine se caractérise intrinsèquement par une régularité de couple exceptionnellement élevée pour une machine volumétrique et pa: une continuité de débit sensiblement accrue par rapport à une machine classique. Ces caractéristiques rapprochent une machine conforme à l'invention et comportant un nombre impair de palettes dans chaque rotor d'une turbo-machine dont elle atteint à peu près la tranquillité de fonctionnement tout en conservant les caractéristiques hydrauliques et thermodynamiques d'une machine volumétrique. En contrepartie, dans la machine à nombre impair de palettes par rotor, chaque rotor est soumis à des efforts transversaux variables en module et en direction, ce qui entraine l'obligation d'utiliser des paliers compatibles avec la variation des réactions correspondantes. Dans sa forme la plus intéressante la machine conforme à l'invention et comportant un nombre impair p de palettes est caractérisée par p = 5 et dont = + 180. opt Que la machine soit à nombre pair ou impair de palettes par rotor, on peut caractériser l'irrégularité du couple de torsion appliqué à l'arbre par le taux de pulsation t de ce couple, défini comme le rapport de sa composante alternée (demi-écart entre la valeur maximale Mtmax et la valeur minimale Mtmin) à sa valeur maximale : Pour les machines bicellulaires, le taux de pulsation est fonction de l'angle s mesurant le déphasage de l'évolution spatiale des chambres dans les deux cellules. Dans les machines conformes à l'invention g = s et le taux de plusation t est opt minimal (t = Lorsque l'on impose un retard ou une avance différents de on on conserve la régularité du couple de torsion à l'arbore de la machine à un degré d'autant moindre que l'on s'éloigne davantage de la situation optimale.On ne sort pas des limites de l'invention en imposant un retard ou une avance correspondant à un taux de pulsation du couple au plus égal au double de tmin Ainsi, pour une machine à p = 5 palettes, le calcul et l'expérience montrent que les valeurs limites de s maintenant la ma chine dans le cadre de l'invention s'écartent de + 80 de l'angle optimal S = 180 : les machines conformes à l'invention sont opt - donc caractérisées par des déphasages compris entre 100 et 26 , en avant ou en arrière. De même, on ne sort pas des limites de l'invention lorsque l'on modifie séparément ou simultanément : - le rayon du rotor, - la longueur axiale du rotor, - la sortie maximale des palettes, - et d'une manière plus générale la cylindrée de l'une des cellules par rapport à l'autre, aussi longtemps que le taux de pulsation du couple ne devient pas supérieur au double de vmin Enfin, on ne sort pas des limites de l'invention en remplaçant les palettes par des rouleaux, le reste de la machine étant aménagé en conséquence. On observera que la structure des machines conformes à l'invention, telle qu'elle vient d'être décrite, se prête de manière idéale à une variation par dchelon de la cylindrée, conduisant à une régulation de débit et par conséquent de puissance. Dans cet esprit, l'arbre peut. être entraîné en permanence ou alternativement à l'intervention d'un embrayage de type quelconque, la deuxième cellule comportant un dispositif de rappel et de maintien des palettes à l'intérieur du rotor quand il.y a lieu de rendre cette cellule inopérante, en conservant, lors de la remise en action, le déphasage particulier de l'évolution spatiale des chambres pour lequel la machine a été conçue. Lorsque cette organisation est appliquée à une pompe ou à un compresseur (machine génératrice), la pression de refoulement entretenue par la première cellule est constamment disponible pour fournir l'énergie nécessaire à une manoeuvre des palettes quand cette pression est utilisée pour remettre les palettes en position opérante, la machine démarre spontanément en position inopérante de la deuxième cellule, c'est-à-dire que le couple au démarrage est aussi réduit que possible. Il est évident qu'une telle machine prend un intérêt maximal quand chacun de ses rotors comporte cinq palettes, puisque le taux de pulsation du couple reste faible ou très faible pour les deux cylindrées caractéristiques de la machine, résultat qui ne peut être atteint par aucune autre machine volumétrique connue à cylindrée modifiable. La figure 1 de la planche 1/7 illustre l'intérêt des machines bicellulaires, les figures 2, 3 et 4 des planches 2J7 et 3,7 décrivent à titre de premier exemple, non limitatif, un compresseur bicellulaire sans régulation conforme à l'invention, les figures 5, 6 et 7 des planches 4/7 et 5/7 représentent à titre de second exemple, non limitatif, un compresseur à régulation de puissance conforme à l'invention, dans lequel le système de rappel des palettes utilise la différence entre la pression à l'admission et à l'échappement, les figures 8, 9 et 10 de la planche 6/7 décrivent à titre d'exemple, non limitatif, un mode d'alimentation du système de rappel des palettes dans la machine précédente et la figure 11 de la planche 7/7 décrit un autre système de rappel des palettes, indépendant du fluide comprimé. La figure 1 visualise une comparaison quantative des machines classiques et des machines objet de l'invention au point de vue de la régularité du couple de torsion appliqué à leur arbre. Cette comparaison est fondée sur le calcul du taux de pulsation rmin du couple, tel qu'il a été défini précédemment. Le calcul a été fait pour diverses machines classiques et pour diverses machines conformes à l'invention en fonction du nombre p de palettes coulissant dans chaque rotor. Les machines considérées sont des compresseurs et le calcul a été fait en imposant à toutes les machines comparées les caractéristiques com munes ci-après : - même cylindrée par tour, pour une épaisseur supposée négli geable des palettes, - même longueur totale de rotor, et longueur égale de chacun des rotors dans les machines conformes à l'invention, - mêmes pressions d'admission et d'échappement (respectivement 3 et 22 bar), et loi de compression polytropique d'exposant k = 1,4. Dans ces conditions, comme seuls les efforts dus au fluide sont pris en compte, le couple de torsion moyen de toutes les machines comparées est identique. Les courbes tracées en trait interrompu sont évidemment sans signification physique, mais elles ont l'intérêt de faire apparaître des regroupements et des tendances : la courbe A regroupe les points représentatifs des machines classiques à nombre pair de palettes et la courbe B les points représentatifs des machines classiques à nombre de palettes impair; les courbes C et D sont relatives aux machines conformes à l'invention, respectivement à nombre pair et à nombre impair de palettes. La situation de ces courbes, tant relative qu'absolue, dans le plan (p,t), dispense de tout commentaire; on soulignera simplement qu'elles sont peu influencées par la forme de la courbe statorique. Les figures 2, 3 et 4 présentent respectivement une coupe axiale dans un compresseur à fréon conforme à l'invention et deux coupes perpendiculaires à l'axe, chacune dans une cellule différente de la machine. 11 s'agit d'une machine à deux cellules identiques et à quatre palettes par rotor sans système de rappel des palettes. L'arbre 1, entraîné par la poulie 6 par l'intermédiaire de l'accouplement 27, porte les rotors 2 et 3 dans chacun desquels coulissent quatre palettes telles que 4 et 5; ces rotors sont calés sur l'arbre avec le déphasage angulaire S donné par : opt Sopt ,t = 1800 = 450, opt - p puisque chacun des rotors comporte un nombre pair de palettes. L'arbre 1 est porté par les paliers lisses 7 et 8 logés dans les flasques 9 et 10 du carter. Les deux rotors 2 et 3 sont séparés par le voile 11, pincé entre les deux corps tubulaires 12 et 13 dont les surfaces intérieures 14 et 15 se correspondent dans une translation selon l'axe de la machine. Les orifices d'admission tels que 16 et 17, et ceux d'échappement tels que 18 et 19, sont percés dans les corps tubulaires statoriques 12 et 13. L'ensem- ble de la machine est contenu dans une enveloppe extérieure 20, enfermant aussi le système de séparation du fréon et du lubrifiant dans l'enceinte 21, et portant les tubulures 22 et 23 de raccordement extérieur au circuit frigorifique. Ces tubulures ne sont pas représentées sur les figures 3 et 4. Le flasque 24 de l'enveloppe extérieure 20 porte la poulie d'entraînement 6 par l'intermédiaire des paliers 25 et 26. Les figures 5, 6 et 7 présentent respectivement une coupe axiale dans un compresseur à fréon conforme à l'invention et deux coupes perpendiculaires à l'axe, chacune dans une cellule différente de la machine. Il s'agit d'une machine à cinq palettes par rotor avec régulation de puissance par rappel de l'ensemble des palettes dans le rotor situé à l'extrémité de l'arbre opposée à la poulie d'entraînement. Les deux rotors ont même diamètre et même longueur et sont calés sur l'arbre avec le déphasage Sopt donné par g 1800 180 opt = 2p = puisque chacun des rotors comporte un nombre impair de palettes, les deux surfaces statoriques, identiques, se correspondant dans une translation parallèle à l'axe de la machine. Les paliers 7' et 8' de cette machine font appel à des roulements à aiguilles, en principe exécutés sans jeu, en raison des efforts transversaux variables appliqués par le fluide à chacun des rotors. La cellule coté poulie ne diffère de la cellule correspondante de la machine représentée aux figures 2, 3 et 4 que par le nombre de palettes coulissant dans le rotor : elle ne sera donc plus décrite ici. Par contre, l'autre cellule (cellure "arrière") est con çue de manière à permettre le rappel des palettes à l'intérieur du rotor correspondant. Cette cellule comporte un stator 13, un rotor 3' et des palettes telles que 5' présentant chacune une découpe 28, dans le profil de laquelle on reconnaît un biseau 29 et une portée 30 parallèle à l'axe de la machine. Le biseau et la portée ont pour fonction d'assurer l'engagement dans chaque palette d'un crochet tel que 31 quand un déplacement approprié de ce crochet est commandé par le mécanisme qui va être décrit. Ce mécanisme, partiellement logé dans l'enceinte 21' comporte une membrane 32 solidaire d'une tige 33. La membrane 32 sépare deux chambres 34 et 35 ménagées dans le fond de l'enveloppe 20 : la chambre 34 est mise en communication soit avec l'enceinte 21' (à la pression de refoulement), soit avec un canal d'admission (à la pression d'aspiration).Le fourreau 36, fixé dans le bossage de l'enve- loppe 20' et dans le flasque 10' supporte à la fois la tige 33, une douille coulissante 37 et le palier 8' de l'arbre 1'. La tige 33 déplace par l'intermédiaire de la clavette 38 et de la douille coulissante 37 le fourreau crénelé 39 qui déforme dlas- tiquement la "marguerite" 40 à laquelle appartiennent les crochets tels que 31, guidés dans les rainures du rotor 3', pour provoquer l'engagement des crochets dans les découpes des palettes et immobiliser celles-ci à fond de rainures. Un mouvement de la tige 33 dans l'autre sens libère la marguerite qui reprend sa forme initiale, dégageant les crochets de la découpe des palettes, qui se trouvent libérées et rentrent en action.Dans la machine décrite, c'est le ressort 41 qui provoque 1immobilisa- tion des palettes quand la chambre 35 est à la basse pression, tandis que la mise à haute pression de cette chambre 35 libère les palettes. La figure 8 présente une coupe axiale de la partie arrière de la machine par un plan incliné à 450 sur celui du plan de la coupe présentée à la figure 5 : l'électrovalve miniature 42 assure la commutation des relations entre la chambre 35 et l'en- ceinte 21' ou le canal d'aspiration 17. Les canaux 43, 44 et 45 établissent ces relations selon la position de l'électrovalve 42 au travers de l'embase 46 (figures 9 et 10). La figure 11 présente une variante du système de rappel et de libération palettes, dans laquelle il n'est pas fait appel à l'énergie contenue dans le fluide comprimé. Un électroaimant 47 actionne le système d'accrochage des palettes par l'intermédiaire de la tige 33', solidaire du noyau 48 coaxial au fourreau 36'. L'électroaimant 47, fixé à la face arrière de l'enveloppe 20", applique un effort de traction à la tige 33' lorsqu'11 est alimenté, c'est-à-dire quand la cellule arrière doit être active; le ressort 49 rappelle la tige 33' dans le cas inverse. REVENDICATIONS 1. Machine volumétrique bicellulaire échangeant de l'énergie avec n'importe quel type de fluide, CARACTERISEE en ce qu'elle comporte deux rotors (2-3) solidaires tournant autour de leur axe commun (1) dans chacun desquels sont guidés des éléments d'étanchéité (4-5) en nombre p, ces deux rotors (2-3) étant séparés par un voile (11) solidaire du stator (12-13-) ainsi divisé de manière à constituer deux cellules présentant par rapport à l'axe de la machine un ordre de symétrie deux et dans lesquelles les chambres de travail appartenant à des cellules différentes évoluent spatialement avec un déphasage angulaire 6, de sorte que le taux de pulsatIon du couple à l'arbre reste inférieur au double du taux de pulsation correspondant à un déphasage a opt t = n/p si p est pair et s ope = + L w/2p J Si p est impair. 2. Tachine selon la revendication 1 CARACTERISEE en ce que les cellules sont de cylindrée identique et en ce que 6 = 6 opt 3. Tachine selon la revendication 1 ou 2 CARACTERISEE en ce que, dans l'une au moins des cellules, les éléments d'étanchéité sont des palettes (4-5). 4. Machine selon la revendication 1 ou 2 CARACTERISEE en ce que, dans l'une au moins des cellules, les éléments d'étanchéité sont des rouleaux. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 CARACTERISEE en ce que l'une des cellules comporte des palettes ainsi qu'un dispositif (32 à 41) qui peut les rappeler à l'intérieur du rotor (2-3) et les y maintenir. 6. Machine selon la revendication 5 CARACTERISEE en ce qu'elle est génératrice d'énergie fluide et en ce que la presion créée par l'une des cellules fournit l'énergie nécessaire à la manoeuvre des palettes (4-5) de l'autre cellule.