Brevet FR2572774A1 — publié le 19860509

La présente invention est relative à une pompe à pistons du type à barillet, plus particulièrement prévue pour refouler des fluides à haute pression, et notamment des liquides chargés. On sait que les pompes de ce type sont couramment utilisées dans l'industrie minière ou dans l'industrie pétro lière, pour pomper des liquides chargés, tels que du pétrole, des boues liquides, des fluides de fracturation, ou analogues. Les pompes de ce type sont couramment de grandes dimensions et prévues pour refouler le liquide avec un débit important, sous des pressions élevées, couramment supérieures à 200 bars. Dans le cas particulier des exploitations pétrolières, il est en outre nécessaire qu'une pompe de ce type reste de dimensions relativement réduites, suffisamment pour permettre de la charger et de la transporter avec son moteur d'centrale nement en une seule fois sur un camion. Le problème étant ainsi posé, on comprend que la tendance soit à réduire le poids et les dimensions hors tout de la pompe, tout en augmentant la pression à laquelle elle refoule le liquide. - Les solutions connues à ce jour consistent à utiliser une pompe à piston à barillet, l'embiellage des pistons étant commandé à partir dtun plateau incliné rotatif. Les techniques connues à ce jour consistent à faire reposer le plateau incliné rotatif sur des butées que porte le fond du carter de la pompe, lequel carter entoure ltembiellage, pour remonter jusqu'au barillet auquel il est lié. En pratique, on constate que cette technique connue présente un grave inconvénient. En effet, le carter extérieur de la pompe assure la transmission des efforts de poussée entre les butées arriere du plateau rotatif oscillant, et le barillet dans les cylindres duquel le liquide est refoulé par les pistons. Autrement dit, plus la pression de refoulement du liquide est élevée, plus les efforts transmis par le carter sont importants et plus ce carter doit donc être largement dimensionné et lourd. Les pompes connues à ce jour ont ainsi atteint une limite au-delà de laquelle il n'est plus possible d'augmenter la pression du liquide sans augmenter le poids et l'encombrement de l'ensemble qui devient alors intransportable par camion. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients, en réalisant une pompe à barillet et à plateau in incliné rotatif, dont I'embielle d'un type nouveau permet d'augmenter la pression de refoulement du liquide, tout en réduisant le poids d'ensemble de l'appareil. Une pompe à barillet selon l'invention comprend un barillet fixe, dans les alésages cylindriques duquel coulissent des crosses directement reliées à des pistons de refouleent, dont chacune est reliée par une bielle à un plateau incliné à mouvement rotatif louvoyant, dont la face arrière est équipée d'un tourillon central d'entraînement orienté perpendiculairement à la face de poussée avant du plateau, et elle est caractérisée en ce que la face avant du plateau comporte, en son centre, un palier sphérique, dont la section méridienne circulaire correspond à un angle au centre supérieur à 180 , préférablement de l'ordre de 240 ou davantage, alors qu'à l'intérieur de ce palier sphérique, est disposée une rotule sphérique fixe, solidaire d'un bras ancré axialement dans le centre du barillet, si bien que la poussée du plateau en cours de fonctionnement est transmise directement au barillet par l'intermédiaire du palier sphérique travaillant à l'arrachement, et ceci sans faire intervenir la résistance des parois du carter, notamment dans sa partie arrière. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le tourillon arrière du plateau louvoyant est placé dans un palier solidaire du voile d'un pignon sur lequel il occupe une position excentrique. Le pignon en question est entraîné en rotation à partir d'un engrenage latéral motorisé, sur lequel il engrène. Suivant une autre caractéristique de l'inventions le tourillon arrière pour la commande du plateau à mouvement louvoyant est monté dans le voile du pignon par une articulation sphérique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'articulation sphérique en question est portée par un plateau excentré, dont on peut choisir à volonté l'orientation angulaire par rapport au voile du pignon qui le porte. Ainsi, on choisit au montage l'excentricité du palier sphérique par rapport au voile du pignon, ce qui permet de régler l'amplitude de la course réelle des pistons de la pompe, et par conséquent, la valeur maxima du couple moteur à la pression de refoulement désirée pour le fluide pompé Suivant une autre caractéristique de l'invention, le plateau incliné à mouvement louvoyant est immobilisé en rotation par une bielle latérale le reliant au carter. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le plateau incliné à mouvement louvoyant est immobilisé en rotation par un couple d'engrenages coniques dont l'un est porté par la périphérie de la face arrière du plateau louvoyant, alors que l'autre, sur lequel il engrène, est solidaire du carter de la pompe. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on prévoit, entre la face avant du plateau louvoyant, et la face en regard du barillet fixe, les organes à mouvement alternatif d'une pompe de graissage à pistons axiaux. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la lubrification du prier sphérique central de la face avant du plateau est assurée à partir d'un canal principal disposé longitudinalement dans le bras, pour déboucher à l'intérieur de la sphère où il se ramifie en plusieurs canaux radiaux débouchant sur la périphérie de la sphère fixe, notamment dans la zone annulaire, où celle-ci travaille à l'arrachement. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le réducteur d'entratnement du plateau incliné à mouvement louvoyant est fixé au carter de la partie mécanique de la pompe au moyen d'une bride et d'une contrebride coaxiales avec l'axe de sortie du réducteur et avec l'axe du barillet donnant ainsi l'a- vantage de pouvoir orienter à volonté l'axe du pignon d'entrée du réducteur. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non 1 limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention. Figure 1 est en vue en coupe axiale d'une pompe à barillet selon l'invention. Figure 2 est en vue en bout, montrant le palier sphérique excentrique du tourillon commandant le plateau. Figure 3 est une coupe suivant III - III (figure 1). Figure 4 correspond à la figure 1, pour une variante de réalisation où le plateau est immobilisé en rotation par un couple d'engrenages coniques. On a représenté sur les dessins, une pompe à barillet qui comprend : - un barillet fixe 1, dans les alésages 2 duquel des crosses ou des pistons 3 coulissent suivant un mouvement alternatif ; - un plateau incliné 4, dont l'axe géométrique 5 forme un angle aigu 6 avec l'axe géométrique 7 du barillet 1 ; - des bielles 8, dont chacune possède deux extrémités sphériques 9 et 10, pour assurer la liaison entre chaque crosse ou piston 3, et le plateau à mouvement louvoyant 4 ; - un maneton arriere 11, solidaire du plateau 4, et co-linéaire avec l'axe 5 ; - un pignon de commande 12, axé sur l'axe géométrique 7 autour duquel il tourne, tandis que, dans son voile 13, est prévu un palier excentré 14, pour le maneton il ;; - un engrenage latéral 15, qui engrène sur la denture du pignon 12, et dont l'arbre 16 est entratné par un moto-réducteur non représenté. La partie centrale de la face avant du plateau 4 porte, en creux, un palier sphérique 17, à l'intérieur duquel est articulée une rotule sphérique 18. Cette dernière est solidaire d'un bras 19. Ce bras 19 est monté à poste fixe dans la partie centrale du barillet 1, le long de l'axe géométrique 7. On voit, notamment sur les figures 1 et 4, que la rotule sphérique 18 est emprisonnée dans le palier sphérique 17, suivant un angle au centre 20, qui est nettement supérieur à 1800. Autrement dit, le bord 21 du palier sphérique 17 se referme derrière le grand diamètre de la rotule 18. Dans le cas particulier du dessin, l'angle au centre 20 est de l'ordre de 2600, si bien que lorsque le plateau 4 est soumis par la réaction des pis tons3àunepoussée orientée dans le sens de la flèche 22, le palier 17 travaille à l'arrachement, autour de la rotule fixe 18. Le tourillon 11 est préférablement monté dans un manchon de palier 23, qui est sphérique. La section méridienne sphérique 24 du manchon 23 permet à l'axe géométrique 5 du plateau 4 et du maneton 11, d1osciller légèrement lorsqu'on fait varier l'angle d'inclinaison 6 du plateau 4, pour régler la course des pistons 3 et la pression de refoulement du liquide. L'excentricité du palier 14 permet, en faisant tourner celui-ci d'une position angulaire à une autre, autour de l'axe géométrique 7, de faire varier l'excentration de celui-ci, par rapport au manchon 23, ce qui a pour effet de faire varier l'excentration de celui-ci, psr rapport au manchon 23, ce qui a pour effet de faire varier l'angle d'inclinaison 6. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, le palier excentré 14 possède huit percages 25, répartis sur sa périphérie. Ainsi, par mise en place de boulons de fixation dans les perçages 25, on peut choisir à 1/8cime de tour près, la position angulaire du manchon 23 dans le palier 14 du voile 13. Dans ltexemple illustré sur les figures 1 à 3, une bielle latérale 26 à extrémités sphériques articulées 27 et 28, relie la périphérie du plateau louvoyant 4, à une partie fixe 29 du carter 30 de la pompe. Cette bielle 26 a pour but d'immobiliser en rotation le plateau 4, au cours de son mouvement louvoyant commandé par la rotation sur lui-même du pignon 13. Dans la variante illustrée sur la figure 4, le plateau louvoyant 4 est immobilisé en rotation, non plus par la bielle latérale 26, mais par un couple de deux engrenages coniques 31 et 32, ayant chacun le même nombre de dents, à savoir - un engrenage conique 31, prévu sur la face arrière à la périphérie du plateau 4 ; - un engrenage conique 32, solidaire du carter fixe 30 de la pompe, et axé sur l'axe géométrique 7. La rotation du pignon 12 commandant le mouvement louvoyant du plateau incliné 4, le pignon mobile 31 roule sur le pignon fixe 32, ce qui immobilise en rotation le plateau oscillant 4. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le bras fixe 19 est percé d'un canal axial 33 relié à une source d'alimentation en huile de graissage sous pression. Le canal 33 se ramifie dans la partie centrale de la rotule 18, en plusieurs canaux radiaux 34 qui débouchent dans le palier sphérique 17, par des ouvertures 35 situées notamment dans la partie en contre-dépouille du palier 17, c'est-à-dire dans la partie où celui-ci travaille à l'arrachement, sur la rotule 18, autour du bras fixe 19. Le canal 33 peut également se ramifier suivant un ou plusieurs canaux 36 lubrifiant la partie arrière du palier 17. La lubrification du palier sphérique 17 peut être effectuée dans certaines applicat:ons par une pompe à huile a piston axial à mouver2ert alternatif. Il s'ait d'une pompe constituée par un alésage fixe 37 localisé dns le barillet 1 et à l'intérieur duquel coulisse un piston 38 qu'une biellette à paliers sphériques relie à la face avant du plateau louvoyant 4. La biellette 39 est percée d'un canal 41. Cette pompe à huile possède un clapet 42. Elle est ali mentée par un orifice 43. Au cours du mouvement du plateau louvoyant 4, le piston 38 est animé d'un mouvement alternatif lui permettant de refouler l'huile à la manière connue dans une canalisation 40 grâce à l'action du clapet adiretour 42. Notons que l'alimentation des canaux de graissage 33 et/ou 43 peut être effectuée à partir de toute pompe de graissage extérieure de type connu. il est important de noter que la lubrification peut se faire soit en hydrostatique, soit en hydrodynamique selon les applications. Le fonctionnement est le suivant : Lorsquton entraSne en rotation l'arbre moteur 16, l'axe géométrique 5 du plateau 4 constitue une génératrice décrivant une surface conique de demi-angle au sommet 6 autour de l'axe fixe 7 de la machine. On a vu que la valeur exacte de ce demi-angle au sommet 6 peut être réglée par un choix judicieux de la position angulaire du palier excentré 14 dans le manchon 23. Le plateau 4 étant par ailleurs immobilisé en rotation par la bielle 26 ou par les pignons coniques 31, 32, il décrit autour de l'axe fixe 7, un mouvement louvoyant, qui agit à la manière connue sur les pistons 3, pour les animer d'un mouvement alternatif de pompage. Les réactions développées par les pistons 3 du fait de la pression du liquide refoulé se combinent en une résultante qui tend à arracher le plateau 4 hors de la rotule fixe 18, suivant la direction de la flèche 22. La forme en contredépouille du palier 17 qui se referme autour du bras fixe 19 s'oppose à cet arrachement, en provoquant un frottement principalement dans la zone annulaire lubrifiée par les orifices 35. Les efforts ainsi supportés par le plateau 4 se transmettent donc à la rotule sphérique 18 qui les reporte, par le bras 19, directement sur le barillet fixe 1. Autrement dit, les efforts développés par la poussée des pistons 3 sur le plateau 4 sont encaissés directement par la réaction du barillet 1 au niveau du bras 19, sans avoir à passer par le carter 30 de la pompe. Ce dernier peut donc être réalisé suivant une structure particulièrement légère. De plus, on voit que, si l'on augmente la pression de refoulement du fluide pompe par les pistons 3, cela n'a pratiquement aucune incidence sur les efforts auxquels est soumis le carter fixe 30. En fonction des nécessités du montage de la pompe dans une installation, le positionnement de l'arbre d'entraî- nement 16 pet se faire à volonté grâce à l'orientation de la bride 44 par rapport à la contrebride 45, ces deux brides étant en effet coaxiales avec l'axe géométrique 7 du barillet. A noter que l'axe 46 coaxial avec l'axe 7 solidaire du pignon 13, peut servir à~l'entraSnement d'un tachymè- tre ou d'une prise de force, ou, peut aussi être utilisé pour acheminer le lubrifiant du manchon 23. L'invention s'applique en particulier aux compresseurs, pompes ou moteurs hydrauliques à pistons axiaux soit pour des fluides propres soit pour des fluides chargés. RVENDICATIONS 1 - Pompe à barillet comprenant un barillet fixe (i) dans les alésages cylindriques (2) duquel coulissent des pistons de refoulement (3), dont chacun est relié par une bielle (8) à un plateau incliné (4) à mouvement rotatif louvoyant, dont la face arrière est équipée d'un tourillon central d'entratnement (il), orienté suivant un axe (5) perpendiculaire à la face de poussée avant du plateau (4) et caractérisée en ce que la face avant du plateau-comporte, en son centre, un palier sphérique (17), dont la section méridienne circulaire correspond à un angle au centre (20) supérieur à 1800, alors qu'à-l'intérieur de ce palier sphérique (17) est disposée une rotule sphérique fixe (18) solidaire d'un bras (19) ancré axialement dans le centre du barillet (1), si bien que la poussée du plateau (4) en cours de fonctionnement est transmise directement au barillet (1) par l'intermédiaire du palier sphérique (17) travaillant à l'arrachementt et ceci sans faire intervenir la résistance des parois du carter (30) notamment dans sa partie arrière. 2 - Pompe b barillet suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle au centre (20) est supérieur à 2500. 3 - Pompe à barillet- suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le tourillon arrière (11) du plateau louvoyant (4) est placé dans un palier (14) solidaire du voile (13) d'un pignon (12) sur lequel il occupe une position excentrique, le pignon (12) étant entratné en rotation à partir d'un engrenage latéral motorisé (15) sur lequel il engrène. 4 - Pompe à barillet suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le tourillon arrière (îî) pour la commande du plateau à mouvement louvoyant (4) est monté dans le voile (13) du pignon (12), par une articulation sphérique (24). 5 - Pompe à barillet suivant la revendxation 4, caractérisée en ce que l'articulation sphérique (24) est portée par un manchon (23) placé dans un palier excentré (14) dont on peut choisir à volonté l'orientation angulaire par rapport au voile (13) du pignon (12) qui le porte, si bien qu'on choisit au montage l'excentricité du palier (14) supportant le manchon sphérique (23), par rapport au voile (13) du pignon (12), ce qui permet de régler l'amplitude de la course réelle des pisons (3) de la pompe, et, par conséquent, la valeur maxima de la pression de refoulement pour le liquide pompé par rapport au couple du moteur dtentraSnement. 6 - Pompe à barillet suivant l'une quelconque des revcndications précédentes, caractérisée en ce que le plateau incliné (4) à mouvement louvoyant est immobilisé en rotation par une bielle la érale (26) le reliant au carter (30). 7 - Pompe à barillet suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le plateau incliné (4) à mouvement louvoyant est immobilisé en rotation par un couple d'engrenages coniques (31) et (32), dont l'un (31) est porté par la périphérie de la face arrière du plateau louvoyant (4) alors que l'autre (32), sur lequel il engrène, est solidaire du carter (30) de la pompe. 8 - Pompe à barillet suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on prévoit, entre la face avant du plateau louvoyant (4) et la face en regard du barillet fixe (i), les organes à mouvement alternatif (38), (39), d'une pompe de graissage (37), (38), (39), (42) permettant d'apporter un lubrifiant dans un canal (40) débouchant dans la zone annulaire travaillant à l'arrachement du palier sphérique (17). 9 - Pompe à barillet suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la lubrification du palier sphérique central (17) de la face avant du plateau (4) est assurée à partir d'un canal principal (33) disposé longitudinalement dans le bras (19), pour déboucher à l'intérieur de la sphère (18) où il se ramifie en plusieurs canaux radiaux (34) débouchant en (35) sur la périphérie de la sphère fixe (18), notamment dans la zone annulaire où celle-ci travaille à l'arrachement. 10 - Pompe à barillet suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le positionnement de l'arbre d'entraînement (16) peut se faire à volonté grâce à l'orientation de la bride (44) par rapport à la contrebride (45), ces deux brides coaxiales avec l'axe géométrique (7) faisant parties intégrantes du carter (30).