Brevet FR2560937A1 — publié le 19850913

Machine volu..métrique à palettes à frottements réduits. L'invention concerne une machine volumétrique à palettes, comprenant un corps à surface interne sensiblement cylindrique, un rotor cylindrique excentré monté à rotation dans le corps autour d'un axe parallèle à celui du corps, et des palettes reçues dans des fentes radiales du rotor et partageant le volume annulaire compris entre le corps et le rotor en chambres de travail d'un fluide. Une telle machine à palettes peut servir de moteur ou de compresseur, et est susceptible d'être alimentée par un fluide en phase vapeur, par exemple dans une boucle de récupération d'énergie associée à un moteur thermique. Dans de nombreux cas, une telle machine volumétrique à palettes doit pouvoir fonctionner sans lubrification (l'huile mélangée au fluide de travail modifiant les propriétés thermodynamiques de ce fluide), tout en ayant un rendement aussi élevé que possible, c'est-d-dire en fonctionnant avec un minimum de fuite et un minimum de frottement entre les palettes et la surface interne du corps. Les machines connues dans lesquelles les palettes sont simplement reçues dans des fentes radiales du rotor et sont mobiles radialement dans ces fentes, ont un rendement faible quand elles fonctionnent sans lubrification, en raison du frottement important entre les palettes et la surface interne du corps. On connaît également des machines dans lesquelles les palettes comprenent, à leurs extrémités axiales, des talons ou des saillies de guidaoe en rotation dans des rainures annulaires des flasques d'extrémité du corps, ce qui évite que les bords des palettes viennent en contact avec la surface interne cylindrique du corps. Toutefois, dans ce cas, les fuites entre les bords des palettes et la surface interne du corps sont relativement importantes, au détriment du rendement de la machine. La présente invention a pour objet d'éviter les inconvénients respectifs de ces deux types de machines connues, tout en conservant leurs avantages, c'est-à-dire en assurant un rendement élevé par réduction des frottements et suppression des fuites entre les palettes et la surface interne du corps fixe. L'invention propose à cet effet une machine volumétrique à palettes du type précité, caractérisée en ce que,les palettes étant en nombre pair et deux à deux diamétralement opposées, deux palettes diamétralement opposées sont reliées l'une à l'autre par une liaison rigide traversant diamétralement le rotor. Ainsi, lorsque la machine fonctionne et que le rotor tourne, la force centrifuge s'exerce dans des directions opposées sur les deux palettes de chaque groupe de palettes diamétralement opposées, ce qui réduit considérablement les frottements des palettes sur la surface interne du corps fixe. Pour des raisons de symétrie et d'équilibrage en rotation, la liaison rigide entre deux palettes diamétralement opposées est formée de deux barres qui sont parallèles et symétriques par rapport au plan transversal médian du rotor. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque groupe de deux palettes diamétralement opposées a un centre de gravité qui est légèrement excentré par rapport à l'axe du rotor, de telle sorte qu'une des deux palettes est constamment en contact, quand le rotor tourne, avec la surface interne du corps fixe, l'autre palette se terminant par un segment râcleur qui est reçu dans une rainure longitudinale du bord radialement externe de la palette et qui est radialement mobile par rapport à la palette. La présence de ce segment râcleur permet, d'une part, de compenser les tolérances d'usinaae et l'usure et, d'autre part, d'assurer l'étanchéité, sous l'effet de la force centrifuge qui s'exerce sur lui, avec la surface interne du corps fixe, du côte de la palette qui n'est pas en contact constant avec cette surface interne. Avantageusement, la surface interne du corps fixe est formée par la surface interne d'une chemise montée amoviblement dans le corps et est usinée de façon à avoir,en section transversale, la forme d'une conchoïde de cercle, de telle sorte que la longueur radiale d'un groupe de deux palettes ne varie pas pendant la rotation du rotor, ce qui permet d'obtenir un déplacement radial sensiblement nul du râcleur par rapport à la palette qui en est pourvue. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rotor est formé d'un empilage de disques circulaires, le long de son axe, chaque disque présentant des fentes radiales de logement des palettes, deux fentes radiales diamétralement opposées de chaque disque étant réunies entre elles par une rainure diamétrale formée dans une face du disque pour recevoir une barre de liaison rigide entre deux palettes. Cette disposition facilite grandement l'usinage du rotor et son assemblage avec les palettes. 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 axiale d'une machine à palettes selon l'invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne II*Ildela figure 1; la figure 3 est une vue partielle en coupe axiale du rotor de cette machine; la figure 4 est une vue en perspective avec arrachement partiel de ce rotor; la figure 5 est une vue schématique en perspective de deux palettes diamétralement opposées reliées rigidement entre elles; la figure 6 est une vue en coupe axiale, selon la ligne VI-VI de la figure 7, d'un disque faisant partie du rotor; la figure 7 est une vue en plan de ce disque. La machine à palettes selon l'invention comprend (figure 1) un corps cylindrique 10 présentant à ses extrémités des brides 12 de fixation de deux flasques 14 dans lesquels sont supportées et guidées les fusées d'extrémités 16 et 18 du rotor 20,au moyen de paliers 22 et de joints d'étanchéité 24. L'axe 26 du rotor cylindrique 20 est parallèle à l'axe 28 d'une chemise cylindrique 30 montée amoviblement à l'intérieur du corps 10 et dont la surface interne est usinée en conchoïde de cercle. Le rotor 20 est muni d'un nombre pair de palettes 32, 34 qui s'étendent radialement par rapport à l'axe 26 du rotor, sur toute la longueur de celui-ci, et qui sont réparties angulairement de façon régulière autour de cet axe. Les palettes 32, 34 sont deux à deux diamétralement opposées, et ces palettes diamétralement opposées sont reliées entre elles par une liaison rigide traversant diamétralement le rotor 20 et formée , pour des raisons de symétrie et d'équi- librage en rotation, par deux barres 36 identiques qui sont symétriques l'une de l'autre par rapport au plan transversal médian du rotor ou des deux palettes 32, 34 diamétralement opposées. Comme on le voit dans les figures 2- et 5! chaque barre 36 comporte, à chacune de ses extrémités, une plaque vissée 38 permettant de pincer, entre elle et l'extrémité de la barre 36, un bord longitudinal de la palette 32 ou 34 correspon dant. Au voisinage de ce bord longitudinal, chaque palette comprend une rainure 40 à section rectangulaire, dans laquelle est engagé un rebord de la plaque 38. De plus, chaque plaque 38 coopère avec l'extrémité correspondante de la barre 36 par un système de rampes inclinées de sprte que, au vissage des plaques 38 sur les barres 36, les palettes 32 et 34 sont tirées en butée sur des épaulements des barres 36. On obtient ainsi un couple de deux palettes 32 et 34 reliées rigidement entre elles, de façon indéformable. En outre, chaque groupe de deux palettes 32, 34 reliées entre elles par les barres 36 est conçu de façon à ce que son centre de gravité soit faiblement excentré par rapport à l'axe du rotor, quand ce groupe de deux palettes est monté en place dans le rotor d'une façon qui sera décrite dans ce qui suit. Ainsi, par rotation du rotor, la palette qui se trouve du côté du centre de gravité par rapport à laxe du rotor,sera appliquée avec une pression faible, mais réelle, sur la surface interne de la chemise 30, ce qui assurera l'étanchéité tout en limitant les frottements.L'autre palette 34 est munie, sur son bord longitudinal radialement externe, d'un segment râcleur 42 qui est simplement logé dans une rainure longitudinale du bord de la palette 34 de façon à pouvoir, sous l'effet de la force centrifuge qui s'applique sur lui, s'appliquer sur la surface interne de la chemise 30 et assurer l'étanchéité. De préférence, les palettes 32, 34 et les segments racleurs 42 sont réalisés en matériaux composites à faible densité et faible coefficient de frottement. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le rotor 20 est formé par empilage, le long de son axe 26, d'une série de disques circulaires identiques 44 représentés en détail dans les figures 6 et 7. Chaque disque 44 comprend autant de fentes radiales 46 qu'il y a de palettes 32, 34, deux de ces fentes radiales diamétralement opposées étant raccordées entre elles par une rainure diamétrale 48 formée dans une face du disque 44 pour recevoir une barre 36 et ses deux plaqr1es-d'extrémités 38. Pour faciliter l'empilage, chaque disque 44 présente, sur une de ses faces, un rebord perisherique 5C et, sur son autre face, un décrochement 52 conjugué du rebord 50. Les disques 44, qui sont ici au nombre de sept, sont empilés entre les fusées d'extrémités 16 et 18, la fusée 16 comprenant un disque de diamètre égal à celui des disques 44, formé avec les fentes radiales 46 et avec un décrochement périphérique 52, l'autre fusée d'extrémité 18 comprenant également un disque de diamètre égal à celui des disques 44, et Lormé avec les fentes radiales 46 dont deux d'entre elles sont reliées par une rainure diamétrale 48, ainsi qu'avec un rebord périphérique 50, de telle façon que les disques de ces deux fusées puissent etre assemblés avec les disques 44 comme représenté dans les figures 1, 3 et 4 pour former le rotor 20. Les disques 44, ainsi que les disques des fusées 16 et 18 sont percés de trous cylindriques 53 entre les rainures radia- les 46, de façon à permettre la disposition dans ces trous alignés de tubes cylindriques 54 dans lesquels sont engagés des tirants 56 munis à leurs extrémités de têtes et d'écrous de vissage 60, 62 reçus dans des logements des faces externes des disques des fusées 16 et 18. L'assemblage du rotor et des palettes est réalisé de la façon suivante On place la fusée 16 du rotor sur un outillage et l'on met en place, dans deux fentes 46 diamétralement oposées, deux palettes 32 et 34 que l'on relie entre elles par une première barre 36 et ses plaques de serrage 38. On place ensuite un premier disque 44 sur l'ensemble, de telle sorte que la rainure diamétrale 48 de ce disque vienne coiffer la barre 36. Des tubes 54 sont placés dans des trous 53 du disque 44 et dans les trous correspondants du disque de la première fusée 16, après quoi deux autres palettes diamétralement opposées 32 et 34 sont placées dans deux fentes radiales diamétralement opposées du disque 44 et du disque de la fusée 16, en étant décalées angulairement par rapport aux premières palettes 32 et 34, d'une distance égale au pas angulaire entre les palettes du rotor.On relie ces deux palettes 32 et 34 par une première barre 36 et on empile sur l'ensemble un autre disque 44, de façon que sa rainure diamétrale 48 vienne coiffer cette barre 36. Ces opérations sont répétées jusqu a ce que l'on arrive au plan transversal médian du rotor et des palettes, après quoi le décalage angulaire pour la pose des palettes se fait dans le sens inverse, pour que la seconde barre 36 reliant deux palettes déterminées soit parallèle à la première barre 36 déjà fixée. Lorsque tous les disques ont été empilés, la seconde fusée 18 est placée sur l'ensemble, de la même façon qu'un disque 44, puis l'ensemble des disques et des fusées est soli darisé au moyen des tirants 56 et des têtes et des écrous de vissage 60 et 62. On obtient ainsi le rotor 20 muni des palettes 32 et 34, comme représenté en figure 4. En fonctionnement, le fluide de travail est admis dans le volume annulaire entre la surface extérieure du rotor 20 et la surface interne de la chemise 30 par des orifices ou lumières, non représentés, formés dans la partie cylindrique du corps 10 et dans la chemise 30. Par rotation du rotor 20 autour de son axe 26, le fluide de travail contenu dans les chambres de travail déterminées par les palettes 32 et 34 est conduit jusqu'à un orifice de sortie formé également par des lumières dans la chemise 30 et la partie cylindrique du corps 10.La machine volumétrique peut fonctionner en moteur, auquel cas le fluide de travail est détendu dans les chambres de travail et provoque la rotation du rotor, ou en compresseur, auquel cas le rotor est entraîné par des moyens moteurs extérieurs à la machine et comprime le fluide de travail entre l'admission et la sortie.Dans les deux cas, la rotation du rotor se traduit par le contact des palettes 32 dépourvues de segment racleur sur la surface interne de la chemise 30, avec un frottement faible et contr81é en fonction de la vitesse de rotation et de l'excen- tration du centre de gravité de chaque groupe de palettes 32, 34 diamétralement opposées par rapport à l'axe 26 de rotation du rotor, le segment racleur 42 de chaque palette 34 étant appliqué sur la surface interne de la chemise 30 par la force centrifuge qui s'exerce sur lui. La machine à palettes peut ainsi fonctionner sans lubrification avec un frottement faible des palettes sur la surface interne de la chemise 30 et avec une bonne dtanchéité entre les différentes chambres de travail déterminées par ces palettes. Revendications. 1. Machine volumétrique à palettes, comprenant un corps à surface interne sensiblement cylindrique, un rotor cylindrique excentré monté à rotation dans le corps autour d'un axe parallèle à celui du corps, et des palettes reçues dans des fentes radiales du rotor et partageant le volume annulaire entre le corps et le rotor en chambres de travail d'un fluide, caractérisée en ce que, les palettes (32, 34) étant en nombre pair et deux à deux diamétralement opposées, deux palettes (32, 34) sont reliées l'une à l'autre par une liaison rigide (36) traversant diamétralement le rotor (20po 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite liaison rigide est formée de deux barres parallèles (36) symétriques par rapport au plan transversal médian du rotor (20). 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque groupe de deux palettes diamétralement opposées (32, 34) a un centre de gravité légèrement excentré par rapport à l'axe du rotor (26), de sorte qu'une (32) des deux palettes est en contact constant avec la surface interne du corps (10, 30), l'autre palette (34) se terminant par un segment râcleur (42) qui est reçu dans une rainure longitudinale du bord radialement externe de la palette et est radialement mobile par rapport à la palette. 4. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface interne du corps (10, 30) a, en section transversale, la forme d'une concorde de cercle. 5. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les palettes (32, 34) et les segments râcleurs (42) sont en matériaux composites à faible densité et faible coefficient de frottement. 6. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor (20) est formé d'un empilage de disques circulaires (44) le long de son axe (26), chaque disque (44) présentant des fentes radiales (46) de logement des palettes (32, 34),deux fentes radiales diamétralement opposées de chaque disque étant réunies entre elles par une rainure diamétrale (48) formée dans une face du disque (44) pour recevoir une barre (36) de liaison rigide entre deux palettes (32, 34). 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que les disques (44) sont empilés entre deux fusées d'extrémités (16, 18) du rotor (20), reliées rigidement l'une hall'autre par des tirants (56) qui sont parallèles à l'axe du rotor et traversent les disques (44). 8. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que, dans le rotor (20), la rainure diamétrale (48) d'un disque (44) est décalée angulairement de- celle du disque (44) adjacent, sur une distance égale au pas entre deux palettes successives. 9. Machine selon l'ensemble des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que les rainures diamétrales de deux disques (44) symétriques l'un de l'autre par rapport au plan transversal médian du rotor (20), sont parallèles entre elles.