Brevet FR2548741A1 — publié le 19850111

Pompe alternative à débit séquentiel progressif pour moteurs à très faible couple de démarrage. L'invention concerne les pompes à débit séquentiel progressif destinées à être entrainées notamment par des éoliennes à pales rapides à couple de démarrage extrêmement faible. On ne connait pas actuellement de pompes qui soient adaptées aux moteurs éoliens à pales rapides. L'énergie éolienne pour le pompage de liteau est très ancienne, c'est même l'une des formes les plus connues et les plus répandues de récupération de l'énergie contenue dans le vent. La puissance utilisable du vent croit au cube de sa vitesse, de même que théoriquement, le rendement des pompes croît également au cube de la vitesse de leur cycle.La mise en oeuvre d'un moteur éolien soumis au vent a lieu en trois phases principales: 1 - l'ébranlement de la machine, pour lequel, en dehors de la qualité du profil des pales et de leur angle d'attaque, il est évident que la surface de l'ensemble des pales par rapport à 1 'inertie de la masse qui doit être mise en mouvement est un facteur primordial; 2 - la prise de vitesse : pour un meme moteur éolien, moins il y aura de travail à fournir, plus la prise de vitesse sera rapide, car si le travail demandé est trop important, accrochage ne sera pas atteint; 3 - l'accrochage : il correspond à une prise de vitesse suffisante, vitesse en dessous de laquelle une trop faible partie de l'air en déplacement est utilisée pour que le moteur ait un rendement correspondant à la vitesse du vent. On classe habituellement les éoliennes en deux catégories: elles sont des lentes lorsque leur vitesse en bout de pale est proche de la vitesse du vent, et rapide lorsque cette vitesse devient un multiple de celle du vent. Les éoliennes lentes multipales ont un rendement médiocre, de l'ordre de 20% de la limite de Betz en raison du nombre important de pales qui multF plie la traînée aérodynamique, ainsi que de la qualité du profil qui ne peut être aussi soigné que pour une bipales pour des raisons évidentes de prix de revient. Leur avantage incontestable est de démarrer et de s'accrocher par vents faibles en étant en charge. Les éoliennes rapide, à quatre pales maximum, dont le rendement est excellent, de l'ordre de 60 . de la limite de Betz, ont bénéficié dans le domaine des aérognérateurs de nombreuses améliorations du fait des recherches internationales. mais elles ne démarrent pas ou ne s'accrochent pas par vent faible si elles sont en charge. Dans le fonctionnement en aérogénérateur, il est facile de ne leur demander aucun effort jusqu'à ce que l'accrochage soit obtenu, les moyens électro-mécaniques, électriques ou électroniques sont nombreux et d'un coût très abordable. Pour toutes ces raisons, il est habituellement considéré que les éoliennes rapides ne sont pas adaptées au pompage. La pompe selon l'invention a pour objet de fournir une solution mécanique équivalente aux solutions utilisées pour les aérogénérateurs pour permettre d'utiliser les éoliennes à pales rapides au pompage malgré leur absence de couple au démarrage. La pompe selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle résoud le problème consistant à permettre l'accrochage des éoliennes à pales rapides en fonction de leur vitesse de rotation correspondante en associant au piston de la pompe au moins une soupape inertielle naintenue ouverte par un moyen de rappel élastique s'opposant à sa fermeture tant que la vitesse de montée du piston est insuffisante. La fermeture séquentielle à durée progressive est fonction de la vitesse du piston. Lorsque l'éolienne a atteint la vitesse d'accrochage, la soupape se ferme sur un temps très court et la pompe commence à débiter, quand la vitesse augmente, la durée de fermeture de la soupape s' accroît et le débit augmente pour atteindre son maximum à la vitesse de référence de l'éolienne utilisée, et au-dessus, à cette vitesse, la soupape reste fermée sur toute la course active de pompage et s'ouvre à la descente. Le seuil de vitesse de montée assurant le début de la fermeture de la soupape est rendu réglable par l'intermédiaire d'un moyen de tarage du moyen de rappel élastique. Suivant une première réalisation de la pompe selon l'invention, la soupape inertielle est montée glissante sur un arbre central sur lequel sont fixés deux paliers supports du piston et du siège annuaire de la soupape. Suivant une deuxième réalisation de la pompe selon l'invention, la partie inertielle de la soupape est constituée par l'ensemble pistonsiège de soupape et leur sport qui se déplace par rapport à la soupape montée fixe sur un arbre central accouplé à la tige de manoeuvre. suivant une troisieme réalisation de la pompe selon l'invention, la tige de manoeuvre est fixée directement sur le centre du piston. La soupape inertielle est constituée par plusieurs clapets à bille maintenus ouverts chacun par un ressort de compression, chacun pouvant être d'une rigidité différente pour définir des étages de débit en fonction de la croissance de la vitesse de manoeuvre du piston. Selon une quatrième réalisation de la pompe selon l'invention, la soupape inertielle est montée sur une tige centrale coulissant dans deux paliers intermédiaires et rappelée en position ouverte par un ressort de compression, une seconde masse inertielle coulissant sur la tige centrale contribue à augmenter la-durée de la fermeture de la soupape au fur et à mesure de l'accroissement de la vitesse du piston, les deux paliers intermédiaires de guidage de la tige centrale sont fixés sur des rondelles de serrage du piston et dont l'une forme le siège annulaire de la soupape. Selon une cinquième réalisation de la pompe selon l'invention, la soupape inertielle est montée coulissante sur un tube glissant sur un arbre central, maintenue ouverte par un ressort. Un contrepoids coulissant également sur le tube coopère avec la soupape pour augmenter par inertie sa durée de fermeture en comprimant son moyen de rappel élastique ainsi que celui du tube coulissant sur l'arbre central, les moyens de rappel élastique sont tarablesséparément chacun par un écrou. Les avantages de la pompe selon l'invention sont les suivants: - adaptation aux moteurs à très faible couple de démarrage et notamment aux moteurs éoliens à pales rapides à vitesse et rendement élevés; - accroissement important du débit par rapport à celui des pompes entraînées par des éoliennes lentes à grand nombre de pales; - accroissement du rendement global; - réglage aisé du seuil de vitesse permettant la fermeture de la soupape; - peut faire fonction d'embrayage progressif sur un mouvement alternatif non linéaire si l'étanchéité du cylindre est assurée. L'invention est exposée en détail dans le texte qui suit en référence aux dessins annexés représentant plusieurs modes de réalisations dans lequels: - la fig.l montre, vu en coupe, un premier mode de réalisation d'une soupape inertielle coulissant sur un arbre central; - la fig.2 montre, vu en coupe, un second mode de réalisation dans lequel la partie inertielle est constituée par l'ensemble supportant le piston; - la fig.3 montre, vu en coupe1 un troisième mode de réalisation de la pompe selon llinvention, dans lequel la soupape inertielle est constituée par plusieurs clapets à bille; - la fig.4 montre1 vu en coupe, un quatrième mode de réalisation, la soupape est montée sur une tige centrale et coopère avec une 2ème masse inertielle accroissant sa durée de fermeture;; - la fig.5 montre, vu en coupe, un 5ème mode de réalisation analogue à celui de la fig.4. Tel qu'il est représenté en coupe sur la fig.1, le ler mode de réalisation de la pompe comporte une soupape inertielle 1,coulissant sur un arbre central 2, maintenue ouverte en butée sur une rondelle 3 en élastomère par un ressort de compression 4 en appui sur un palier inférieur 5 de l'arbre central constitué par une pièce cylindrique emboutie présentant un épaulement 6 coopérant avec une rondelle 7 constituant le siège annulaire 8 de la soupape 1, pour pincer le joint 9 formant le piston réalisé en cuir ou en élastomère. Un second palier 10, analogue au palier 5, comporte une partie emboutie 11 et un épaulement 12 en appui sur le siège 7. L'ensemble annulaire: épaulement 6,12, siège 7 et piston 9, est rendu solidaire au moyen de boulons 13.Les paliers 5 et 10 sont centrés et fixés par les écrous 17,18, sur la tige centrale par un trou 14 engagé sur les portées 15,16, usinées à chaque extrémité de l'arbre 2. La partie supérieure épaulée 16 de l'arbre 2 reçoit également une rondelle emboutie 19 servant à la fixation d'une autre rondelle identique 20 fixée sur l'extrémité de la tige de manoeuvre 21. Le piston 9 coulisse dans le corps de pompe tubulaire 22. Sur la partie inférieure droite de la figure, on a représenté en 1/2 coupe, un mode de réglage de la rigidité du ressort de rappel 4 constitué par une bague 25 épaulée en 26 pour s'appuyer, en charge minimale, sur le fond du palier inférieur 5 et centrer le ressort 4. La rigidité est réglée au moyen d'un écrou 27 vissé sur l'extrémité 15 de l'arbre central.En position fermée, la partie cônique 30 de la soupape vient s'appuyer sur le siège 8 qui peut être réalisé en bronze ou en matière plastique. Le fonctionnement est le suivant: Lorsque le piston monte à très faible vitesse, la masse de la soupape 1 est compensée par son ressort 4 qui s'oppose à son déplacement, le passage de l'eau est libre et la pompe n'offre pas d'effort résistant génant le démarrage de l'éolienne. A faible vitesse, à l'accrochage de l'éolienne, la masse de la soupape comprime le ressort de rappel pendant une faible partie du cycle. Quand la vitesse augmente, la durée de fermeture de la soupape s accroît dans le cycle pour atteindre la fermeture quasi complète dans la partie active du cycle au voisinage de la vitesse de référence de l'éolienne. Au début de la mise en mouvement de l'éolienne il n'y a pas de débit, puis il commence à y avoir un faible débit à l'accrochage de l'éolienne avec une mise en charge progressive avec la vitesse. Il est à remarquer qu'à la course descente, la soupape est ouverte et facilite la pénétration de l'ensemble mobile dans le fond du corps de pompe. L'eau circule par les ouvertures 31,32, pratiquées dans les paliers 5 et 10. Comme la tige de manoeuvre du piston est entraînée par une manivelle clavetée sur l'arbre de sortie du multiplicateur du moteur éolien, la vitesse de montée n'est pas linéaire. Elle est maximale à 50% de la course. La séquence de fermeture de la soupape représente un pourcentage d'autant plus grand que le cycle du piston est plus court. Aux vitesses rapides, la durée relative de fermeture de la soupape sera augmentée du fait de l'énergie cinétique emmagasinée par ladite soupape. Dans le second mode de réalisation de la pompe représenté sur la fig.2, la partie inertielle de la soupape est constituée par l'assemblage 34 supportant le piston 9, le siège annulaire de soupape 35 et les paliers 36,37, de guidage de l'ensemble par l'intermémdiaire de bagues 38,39 sur marbre central 40 sur lequel la soupape 41 est fixée par une goupille 42. L;ensemble inertel 34 coulisse sur l'arbre central et est mis en butée sur une rondelle en élastomère 3 appuyée sur la partie inférieure de la soupape qui est montée le cône 30 en dessous du siège 35 au moyen d'un ressort de compression 43. L'arbre central est rendu solidaire de la tige de manoeuvre par un accouplement identique à celui de la fig.1. On a représenté un exemple de réglage du ressort de rappel 43 sur la partie droite de la fig.2. I1 comporte une bague 45 coulissant sur l'arbre 4C et filetée extérieurement, un écrou 46, en appui sur le fond du palier 365 permet de régler la rigidité du ressort 43. On a représenté un flasque inférieur 47, centré sur le corps tubulaire 48 et fixé par des tiges filtres 49 sur un flasque supérieur non représenté, pouvant éventuellement contribuer au guidage de la tige de manoeuvre. Le flasque 47 comporte une portée 50 filetée permettant le raccordement sur un tube 51 plongeant dans un puit. Un clapet 52, qui peut être par exemple en cuir ou en élastomère muni d'une masse, ferme la chambre 53 au moment de la descente du piston.Cette pope fonctionne comme les autres versions. Sur la fig.3 on a représenté un 3ème mode de réalisation de la pompe. La tige de manoeuvre 55 est directement fixée sur llensemble fixant le piston, la soupape inertielle est constituée par plusieurs clapets a bille 56 ou autre masse inertielle similaire à rappel par ressort 57 - pré-taré (côté gauche de la coupe) en appui sur le fond d'un logement 58 embouti dans une plaque 63 de pincement du piston 9, ou à tarage réglable (côté droit de la coupe) au moyen d'un écrou tubulaire 59- vissé dans une partie tubulaire 60 emboutie. Un siège de bille 61 est centré dans un épaulement embouti 62 de la plaque inférieure 63. La bille 56 est guidée dans une partie tubulaire 64 emboutie vers le haut, partiellement ouverte pour laisser le libre passage de l'eau suivant la flèche 65.La partie tubulaire de guidage du ressort est également partiellement ouverte en 66 ou 67 pour permettre le passage de l'eau. Les deux plaques de pincement 63 et 68 sont embouties légèrement pour présenter une face concave permettant de serrer élastiquement le piston 9 sur toute sa surface a partir du serrage sur la tige de manoeuvre 55. Les clapets peuvent différer par le tarage de leur ressort et/ou par leur diamètre de façon à définir plusieu'rs étages de débit en fonction de la vitesse de rotation de l'éolienne. Le 4ème mode de réalisation de la. pompe représenté sur la figure 4, comporte une soupape cônique mobile 70 goupillée sur une tige centrale 71 coulissant dans deux rondelles de guidage 72,73 et maintenant la soupape ouverte en appui sur une rondelle en élastomère 3 par un ressort de rappel 74 enfilé sur la partie supérieure de la tige 71 et taré par au moins un écrou de réglage 75 vissé sur l'extrémité de la tige 71. La partie inférieure de la tige 71 reçoit un contrepoids 76 coulissant maintenu au repos en appui sur une rondelle 77 en élastomère par un ressort de compression 78 taré par un écrou 79 vissé sur l'extrémité inférieure de la tige 71. Le piston 9 est pincé entre une rondelle 80 et un siège annulaire 7 de la soupape cônique 70 et rendu solidaire des rondelles de centrage 72,73, et d'une 3ème rondelle 81 sur laquelle est fixée la tige de manoeuvre 21, par des tiges filetées 82 et des entretoises 83,84,85. La rondelle supérieure 81 peut éventuellement être légèrement inférieure au diamètre intérieur du corps de pompe pour faire fonction de guidage; de grands dégagements sont ménagés dans ces rondelles pour ne pas freiner le passage de l'eau. Cette soupape fonctionne comme les précédentes, mais lorsque la vitesse de montée du piston s'accroît, la durée de fermeture de la soupape dans le cycle sera augmentée du fait de l'énergie supplmentaire emmagasinée dans le ressort 78 par le dépiacement du contrepoids 76 qui se poursuit pendant 5070 du temps de montée et tire sur la tige 71 acoossant le serrage de la soupape sur son siège. te 5ème mode de realisation de la pompe représenté sur la fig.5, comporte une soupape 90 montée coulissante sur un tube 91 maintenu en butée avec la soupape contre une butée 92 en élastomère en appui sur une rondelle 93 au moyen d'un ressort de compression 94 en appui sur une rondelle 95 laquelle sert également d'appui à une butée 77 sur laquelle repose un contrepoids 96 coulissant également sur le tube 91 et maintenu en butée par un ressort de compression 97 taré par un écrou 98 Le tube 91 coulisse sur l'arbre central 99 par l'intermédiaire de deux bagues S0,101 par exemple en"TEFLON'et est maintenu en butée contre la rondelle 92 par un ressort de rappel 102 taré par un écrou 103 vissé sur l'extrémité de l'arbre 99 lequel comporte une portée épaulée 104 recevant une rondelle de centrage 105 servant également au guidage de l'ensemble dans l'alésage du corps de pompe 48, fixée par un écrou 106. Les rondelles 93,95,105, ainsi que le siège annulaire 7, le piston 9 et sa rondelle de pincement 80 sont maintenus ensemble par des tiges filetées 107 et des entretoises 108-,109,110. L'arbre central 99 reçoit une rondelle 93 et une pièce de fixation 19 pour l'accouplement sur la tige de manoeuvre par l'intermé- diaire d'une portée 16. Le fonctionnement est identique à celui de la version de la fig.4. Le contrepoids 96 contribue à accroître la durée de la fermeture de la soupape dans la partie active du cycle de l'éolienne. R EV E N D I CA T I ON S: 1 - Pompe alternative à débit séquentiel progressif destinée à être entraînée notamment par des éoliennes à pales rapides comprenant un corps de pompe, un piston, un clapet inférieur et un moyen de manoeuvre alternative du piston, caractérisée en ce que: - ledit piston coopère avec un dispositif inertiel comportant au moins une soupape à fermeture séquent-ielle de durée progressive en fonction de la croissance de la vitesse de montée du piston, - ladite soupape inertielle est maintenue ouverte en butée par un moyen de rappel élastique, - le seuil de vitesse de montée assurant le début de la fermeture de la soupape sur son siège est rendu réglable par l'intermédiaire d'un moyen de tarage du moyen de rappel élastique. 2 - Pompe selon 1, caractérisée en ce que le dispositif inertiel est constitué par une soupape cylindro-cônique dont le sommet du cône est orienté vers le bas, ladite soupape est montée coulissante sur un arbre central (2) fixé sur la tige de manoeuvre (21), maintenue ouverte en appui sur une butée (3) par un ressort de compression (4) réglable ou non coopérant avec un siège annulaire (7) et un piston (9) solidarisé à l'arbre (2) au moyen de deux paliers (5,10). 3 - Pompe selon 1, caractérisée en ce que le dispositif inertiel comporte une soupape (30) immobilisée sur un arbre central (40) accouplé sur la tige de manoeuvre, coopérant avec un siège annulaire mobile (35) solidaire du piston (9) guidé coulissant sur ledit arbre central (40) au moyen de paliers (36,37), l'ensemble mobile inertiel étant maintenu ouvert par rapport à la soupape en butée sur le dessous de ladite soupape au moyen d'un ressort de compression enfilé sur l'arbre central. 4 - Pompe selon 1, caractérisée en ce que le dispositif inertiel est constitué par plusieurs clapets à bille (56) ou masse inertielle similaire maintenus ouverts chacun par un ressort de compression (57) réglable ou non, et en ce que les moyens de guidage des billes (64)et du ressort (60,66) sont solidaires de plaques de pincement (63,68) du piston (9) sur le centre desquels est fixée la tige de manoeuvre (55), les parties tubulaires de guidage des billes et des ressorts sont ouvertes pour laisser libre le passage de l'eau, et en ce que chaque clapet comporte un siège de bille rapporté (61). 5 - Pompe selon 1, caractérisée en ce que le dispositif inertiel est consitué par: - une soupape cylindo-cunique (70) dont le sommet du cône est orienté vers le bas, - une tige mobile de guidage (71) vers le milieu de laquelle est goupillée la soupape, ladite tige coulisse dans des rondelles paliers (72,73), - une butée de soupape déformable élastiquement en appui sousla rondelle (73), ladite soupape étant maintenue en appui sur ladite butée par un ressort (74) enfilé sur ladite tige (71) en appui sur ladite rondelle (73) et tarée par un écrou de réglage (75) vissé sur ltextrémité supérieure re de ladite tige, - un contrepoids (76) monté coulissant sur ladite tige (71), maintenu en appui sur une butée (77) élastiquement déformable par un ressort de compression (78) enfilé sur la partie inférieure de la tige (71) et taré par un écrou de réglage (79), -des moyens de fixation des rondelles de guidage (72,73,) de la tige (71), d'une rondelle supérieure (81j de fixation de la tige de manoeuvre (21), du singe annulaire (7) et du piston (9), constitués par des tiges filetées (823 et des entretoises tubulaires (83,84,85). 6 - Pompe selon 1 eut 5D caractérisée en ce que la soupape associée à un contrepoids d'accroissement de la durée de fermeture coulisse sur un tube (91) coulissant lui-même sur un arbre central 99 accouplé à la tige de manoeuvre , ledit tube est maintenu au repos sur une butée (92) au moyen d'un ressort de rappel (102) rendu règlable par un écrou (103), ladite soupape (90) est également maintenue ouverte sur ladite butée (92) par un ressort. de rappel (94) enfilé sur le tube et en appui sur une rondelle intefl: :i.édiaire (95) laquelle sert d'appui à une seconde butée (77) sur laquelle est appuye le contrepoids (96) par un ressort (97) enfilé sur le tube (91) et taré par un écrou (98), et en ce que le piston (9j, le siège annulaire de soupape (7) et une rondelle de pincement (80) du joint sont assujettis à l'arbre central au moyen de ron- delles (93,95,105), de tiges filetées (107) et d'entretoises (108,109, 110), la rondelle inférieure (105) pouvant contribuer au guidage de l'ensemble dans l'alésage du corps de pompe.