Brevet FR2542384A1 — publié le 19840914

Dispositif à volute et à palier excentré, pour refouler des fluides. La présente invention se rapporte à un dispositif du type à volute pour refouler des fluides en vue de les comprimer, de les détendre ou de les pomper. Il convient tout d'abord d'expliquer les principes de fonctionnement d sun dispositif à volute en se ri rant à la figure l des dessins annexés, qui illustre une partie 1 de volute stationnaire et de configuration spiroI- dale ou à développante de cercle, ainsi qu'une partie 2 de volute à mouvement orbital qui est de même configuration, mais est mue par rotation de 1800. La partie 1 de la volute accomplit un mouvement orbital autour d'un point, sans aucune rotation. Ainsi, un coté de la partie à mouvement orbital se meut de façon à conserver toujours une position parallèle.Des poches de compression 3 et 5 sont formées dans l'espace compris entre les parties stationnaire et mobile de la volute, les volumes de ces poches étant diminués ( dans le cas d'une compression ) lors du mouvement orbital autour d'un point central 0 comme représenté séquentiellement sur les figures la à id, jusqu'à ce que lesdites poches se confondent en une seule et unique poche centrale de sortie 8' qui se rétrécit de manière correspondante. Comme illustré sur la figure lc, il se forme concomitamment de nouvelles poches d'admission 3 et 5 qui se rétrécissent progressivement ou sont soumises à une compression. La figure 2 représente un compresseur classique à volute dans lequel un palier de poussée 9 supporte la face postérieure d'une plaque de base 3 de la partie 2 de volute à mouvement orbital. Une chambre 12 est réservée pour loger un accouplement du type Oldham ( accouplement à disque monté flottant entre deux brides ) entre ladite plaque de base 3' et un élément lO de support des paliers, qui est boulonné ou fixé d'une autre manière à la partie stationnaire 1 de la volute. L'accouplement du type Oldham est un mécanisme bien connu pour provoquer un mouvement orbital tout en empêchant une rotation.Un passage d'huile 13 fait communiquer la chambre 12 avec l'espace interne du moteur, cependant qu'un canal d'huile 15 est ménagé excentriquement dans un vilebrequin 14 en appui par ses extrémités supérieure et inférieure dans des paliers respectifs l7 et 18. Lorsqu'un stator 19 du moteur est excité, une rotation est imprimée au vilebrequin 14. La partie 2 à mouvement orbital, qui est guidée par un organe d'accouplement il du type Oldhfflm, accomplit un mouvement basculant en réaction à la rotation d'un arbre 4 de volute à mouvement oscillatoire. Cet arbre 4 est supporté par un palier d'oscillation 16 occupant une position excentrée par rapport au vilebrequin 14. De ce fait, ladite partie 2 assure le processus de compression représenté sur les figures la à id. Après que le fluide gazeux a été délivré aux poches de compression 3 et 5 par l'intermédiaire de poches d'admission 6 situées sur des bords circonférentiels de la partie mobile 2, ce fluide est expulsé par un canal de sortie 8 par l'intermédiaire de la poche de sortie 8', après avoir été dévié vers l'espace interne des parties 1 et 2 de la volute. Dans la forme de réalisation selon la figure 2, l'ensemble du compresseur peut accuser des vibrations à cause de la force non compensée résultant du mouvement basculant de la partie 2 de la volute accompagnant la rotation du vilebrequin 14. Pour pallier cet inconvénient, des première et seconde masses d'équilibrage 21 et 22, respectivement, sont installées excentriquement sur le vilebrequin 14 pour équilibrer statiquement et dynamiquement ce vilebrequin, de sorte que le compresseur peut fonctionner sans aucune vibration La figure 3a est une coupe fragmentaire à échelle agrandie correspondant à la zone de la figure 2 dans laquelle se trouvent la partie stationnaire 1 de la volute, la partie mobile 2 et le vilebrequin 14.La figure 3b est une coupe par-dessus d'une partie de la figure 3a ( selon la ligne IIIb-IIIb de cette figure 3a ), dans le cas où l'arbre 4 à mouvement oscillatoire est pressé contre le palier 16 uniquement par la force centrifuge F c de la partie mobile 2 et de sa plaque de base 3', sans tenir compte de l'action de la force appliquée par le gaz comprimé entre ces éléments. Un point 01 représente le centre du palier principal 17 ; un point 2 correspond au centre du vilebrequin 14 ; un point 03 indique le centre du palier d'oscillation 16 ; et un point 04 figure le centre de l'arbre oscillant 4. Le palier d'oscillation 16 et le vilebrequin 14 sont séparés d'une excentricité de valeur r . Le diamètre interne dudit palier 16 est plus grand que le diamètre externe de l'arbre 4, d'une différence correspondant à une tolérance de portée dl. D même, le diamètre interne du palier principal 17 est plus grand que le diamètre externe du vilebrequin 14, d'une différence correspondant à une tolérance de portée d2. Les spires de la partie stationnaire 1 de la volute sont configurées en une saillie ininterrompue en forme d'ailette spiroïdale et sont séparées d'une distance D. Une spire de la partie mobile 2 bascule dans un espace de balayage horizontal. Les spires de cette partie 2 possèdent une épaisseur t . Les spires de la partie stationnaire 1 ne touchent pas celles de la partie mobile 2, mais en sont distantes d'intervalles C et C1 dans le sens radial.Dans la pratique cependant, C est égal à C1. Dans le compresseur classique du type à volute décrit ci-dessus, le balayage horizontal ( distance D permettant le basculement peut être exprimé par D = 2(r + d1/2 + d2/2) + t = 2r + t + dl + d2. (1) L'intervalle entre les spires de la partie stationnaire 1 et de la partie mobile 2, qui est C = (B - D)/2, peut être alternativement exprimé, en utilisant l'équation (1), comme C = * B - (2r + t + d1 + d2) $ /2 = ; (B - 2r - t) - (d + d2) $ /2. (2) D'une manière générale, étant donné que le premier terme (B - 2 r - t ) de l'équation (2) reprEsen- tant le jeu de basculement est supérieur au second terme (d1 + d2), qui est la somme des tolérances de portée, l'intervalle C demeure toujours existant. Lorsque le compresseur à volute est en service, une charge Fg résultant de la compression du gaz agit sur l'arbre oscillant 4. Cette charge F g s'exerce dans la direction perpendiculaire à la force centrifuge Fc La force centrifuge F c et la charge F g se combinent pour former une résultante F agissant sur ledit arbre 4 pour le pousser dans la direction illustrée sur la figure 4. L'intervalle radial C' entre les spires des parties stationnaire 1 et mobile 2 est plus grand, lorsque la charge Fg agit, que l'intervalle C dans le cas où seule agit la force centrifuge. Grace à la présence des intervalles radiaux C et C' entre les spires, les parois latérales de ces spires ne sont pas usées par un contact de friction entre les enveloppes respectives des parties 1 et 2. Cependant, étant donné qu'il est difficile d'obturer hermétiquement l'intervalle radial aux extrémités des poches de compression 3 et 5, le gaz emprisonné dans ces poches 5 peut refluer vers le côté admission. Un tel reflux vers l'amont diminue la quantité de gaz déchargée par le canal de sortie 8 et abaisse le rendement de pompage. Ce reflux vers l'amont accroît également la charge imposée au moteur et il réduit l'efficacité de ce moteur étant donné que le gaz refoulé doit être comprimé de nouveau. Des exemples de pompes à volutes visant à surmonter ces difficultés sont donnés par les brevets US-3 884 599 et US-4 065 279, ainsi que la demande de brevet japonais 56-129 791 soumise à l'inspection publique. L'une des possibilités pour surmonter les difficultés susmentionnées consiste à réduire la différence entre la somme des tolérances déportée (dl + d2) et le jeu de basculement ( B - 2r - t ). Néanmoins le terme correspondant au jeu de basculement inclut les tolérances de fabrication pour chacune des valeurs B, r et t qui ne peuvent pas être maîtrisées avec précision, et les tolérances de portée d1 et d2 doivent être choisies suffisamment grandes pour faire en sorte que d1 + d2 ) soit toujours plus grand que ( B - 2r - t indépendamment de la position du vilebrequin prise par rotation, lorsque les vilebrequins et les spires ne sont pas destinés à être reliés.Or, étant donné que les tolé- rances de portée d1 et d2 doivent être convenablement dimensionnées pour maintenir une lubrification satisfaisante des paliers et que, en outre, ces tolérances de portée ne doivent pas excéder la valeur la plus appropriée, une fabrication précise est nécessaire pour la longueur B entre les spires, pour l'excentricité r et pour l'épaisseur t desdites spires si l'on veut satisfai re à la condition selon laquelle ( d1 + d2 ) est toujours supérieur à ( B - 2r - t ). De surcroît , lorsque le centre de la partie stationnaire 1 de la volute dévie pour une quelconque raison du centre 01 du palier principal 17, les intervalles C et C1 illustrés sur la figure 3a ne sont plus mutuellement égaux et, dans le cas extrême, seul l'un de ces intervalles a une valeur différente de zéro et donc une grande valeur. Il est par conséquent impossible de faire en sorte que les intervalles radiaux C1 et C avoisinent la valeur zéro lorsque la valeur ( dl + d2 ) doit être maintenue plus grande que ( B - 2r - t ). Pour éli- miner les inconvénients précités, il est de ce fait nécessaire d'aligner en plus de manière précise la partie stationnaire de la volute avec le centre 0 1 du palier principal 17. La présente invention a donc pour objet de proposer un dispositif nouveau et perfectionné du type à volute, pouvant faire office de compresseur, d'expanseur volumique ou de pompe, et capable d'isoler hermétique ment dans le sens radial l'espace formé entre une partie de volute à mouvement orbital et une partie stationnaire de volute. Conformément à l'invention, cet objet est at teint en proposant un dispositif du type à volute, dans lequel un vilebrequin est percé, dans son extrémité, d'un trou excentré pour faire tourner une partie de volute à mouvement orbital avec une excentricité prédé- terminée, de manière à provoquer le basculement de cette partie à mouvement orbital Un palier excentré est monté à rotation dans ce trou excentré et une surface de portee basculante est élaborée dans ledit palier excentre pour recevoir un arbre de volute à mouvement orbital. Cette surface de portée basculante est excentrée dsune valeur prédéterminée par rapport au centre du trou excentré. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre.d'exemples nullement limitatifs en regard des dessins annexés sur lesquels les figures la, lb, îc et îd sont des schémas illustrant le principe de fonctionnement d'un dispositif à volute la figure 2 est une coupe longitudinale d'un compresseur classique du type à volute la figure 3a est une coupe radiale fragmentaire à échelle agrandie d'une partie de la figure 2 la figure 3b est une coupe d'une partie de la figure 3a, selon la ligne IIIb - IIIb la figure 4 est une coupe correspondant à la figure 3b, mettant en plus en évidence la charge impo sée la figure 5a est une coupe radiale de la partie centrale du compresseur à volute.conformément à la pré sente invention la figure 5b est une coupe longitudinale fragmentaire correspondant à la figure 5a , selon la ligne Vb - Vb de cette figure 5a ; et les figures 6a et 6b sont des coupes radiales correspondant à la figure 5a et visant à expliquer les principes de la présente invention. L'invention est illustrée sur les figures 5a, 5b et 6a, 6b, sur lesquelles un trou excentré 169 est élaboré au sommet du vilebrequin 14. L'excentricité de ce trou 16' est délimitée par le décalage de son centre 05 par rapport au centre Op dudit vilebrequin 14. Un cylindre creux excentré constitue un palier excentré 26 et il est logé dans ledit trou 16'. Son excentricité est déterminée par un décalage e entre le centre 05 de sa circonférence externe et le centre 04 de son ouverture cylindrique interne. Une surface 16" de portée basculante est élaborée en tant que face interne de la paroi du palier excentré 26 qui est fabriqué en une matière de portée appropriée.Un arbre 4 de volute à mouvement orbital est inséré dans l'ouverture formée par la surface 16", de sorte que son centre se trouve également en 01. L'excentricité R de cet arbre 4 est la distance comprise entre le centre 0 1 du vilebrequin 14 et le centre 04 dudit arbre 4. Les figures 5a,-5b et 6a, 6b montrent la simplification des intervalles existant entre le trou excentré et le palier excentré 26, ou bien entre la surface 16" et l'arbre 4. Dans cette forme de réalisation de l'invention, destinée à un compresseur du type à volute, étant donné que le palier excentré 26 peut tourner librement autour de son centre 05, le centre 04 de la surface de portée basculante tourne également autour de ce centre lorsqu'une quelconque force est appliquée au palier 26 pour le faire tourner. De ce fait, comme le montrent les figures 6a et 6b, l'excentricité R varie par suite de la rotation dudit palier excentré 26. La figure 6a montre un dispositif à volute dans lequel la spirale de la partie stationnaire 1 de la volute est située davantage vers la gauche que cela est prévu dans la conception. Cette déviation peut résulter d'un usinage ou d'un assemblage imprécis du dispositif. Les mêmes circonstances président naturellement lorsque la spirale de la partie 2 de volute à mouvement orbital se trouve trop loin vers la droite. Malgré l'alignement incorrect des parties 1 et 2 de la volute lors de la fabrication, ces parties sont mises en contact par l'action du palier excentré 26. Si la référence F désigne la résultante de la force centrifuge F c et de la charge F g provoquée par la compression du gaz, ladite résultante F impose au palier excentré 26 une torsion sensible et lui imprime une rotation autour de son centre 05 par suite d'une composante F' de cette résultante F qui agit perpendiculairement à la ligne 0405 I1 en résulte que l'excentricité R a tendance à augmenter, mais qu'elle est contenue par le contact entre les spirales des parties 1 et 2 de la volute. La spirale de la partie 2 à mouvement orbital touche la spirale de la partie stationnaire 1 en vue de contrebalancer la force de torsion F'. Comme le montre la figure 6a, les deux spirales desdites parties 1 et 2 sont ainsi maintenues en contact. La figure 6b illustre le cas inverse, dans lequel la spirale de la partie stationnaire 1 est décalée vers la droite par rapport à sa position convenable de conception. Là encore, une composante F' a tendance à faire tourner-le palier excentré 26 autour de Son centre mais elle est considérablement moindre que dans le cas considéré ci-avant. La spirale de la partie 2 à mouvement orbital est en contact avec la spirale de la partie stationnaire 1, sur laquelle elle exerce une pression. La description qui précède met en évidence que, dans la présente invention, la spirale de la partie 2 de volute à mouvement orbital est pressée en permanence contre la spirale de la partie stationnaire 1 afin d'assurer d'une manière suffisante son étanchéité dans le sens radial, quand bien même lesdites parties de la volute seraient mésalignées par suite d'un usinage ou d'un assemblage imprécis. Le rendement de pompage du compresseur à volute selon la présente invention est augmenté du fait de la diminution de la fuite du gaz des poches de compression 3 et 5. Ce rendement de pompage est également accru par suite d'une diminution de la charge associée à la recompression toutes les fois que du gaz a fui Bien que la valeur de l'excentricité ou du rayon de basculement R ne puisse pas être augmentée sans restriction, le rayon de basculement admissible R dispose d'une plage suffisante pour compenser les erreurs dues à la fabrication ou à l'assemblage I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et represen té, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif du type à volute pour refouler des fluides, caractérisé par le fait qu'il comprend une partie stationnaire (1) de volute présentant une enveloppe spiroïdale ; une partie (2) de volute à mouvement orbital, comportant une enveloppe spiroïdale de même configuration que celle de l'enveloppe de ladite partie stationnaire, mais présentant une orientation prise par rotation ; une poche de compression (5) formée par un espace compris entre lesdites parties stationnaire et à mouvement orbital ; un arbre (4) de ladite partie à mouvement orbital, formé sur une surface de ladite partie stationnaire opposée à ladite enveloppe spiroldale ; un vilebrequin (14) percé, dans son extrémité, d'un trou excentré (16') destiné à permettre la rotation avec une excentricité prédéterminée de ladite partie à mouvement orbital, et à faire basculer cette partie à mouvement orbital lorsqu'elle est maintenue dans ledit trou excentré ; ainsi qu'un palier excentré (26) qui, monté à rotation dans ledit trou excentré dudit vilebrequin,possède une surface (16") de portée basculante ménagée dans ledit palier excentré pour recevoir l'arbre de ladite partie à mouvement orbital, et est excen tré d'une valeur prédéterminée par rapport au centre dudit trou excentré. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé par le fait qu'il comporte des paliers (9, 17, 18) pour supporter le vilebrequin en rotation ; un moyen d'entraînement (19, 20) relié audit vilebrequin ; un élément (10) pour supporter lesdits paliers ; ainsi qu'un organe (11) empêchant une rotation qui, intercalé entre la partie de volute à mouvement orbital et ledit élément de support, autorise un mouvement orbital de ladite partie de volute en interdisant sa rotation. 3. Dispositif selon la revendication 1, carac térisé par le fait que le palier excentré est réalisé intégralement en une matière constituant une portée. 4. Dispositif selon la revendication 1, carac térisé par le fait que les paliers de l'élément de support et le palier excentré sont montés sur la circonférence externe du vilebrequin.