Brevet FR2564528A1 — publié le 19851122

- 1 - L'invention a pour objet un moteur volumétrique à rouleaux recevant de l'énergie de n'importe quel type de fluide, liquide ou gazeux. Cette machine comporte au moins les éléments et dispositions ci-apreès: - un stator, constitué d'un corps tubulaire ("anneau statori- que") et de. deux flasques, l'anneau statorique ayant une surface intérieure cylindrique ("surface statorique") dont la directrice est appelée "courbe statorique", - un arbre en liaison rotonde avec le stator, - un rotor calé sur cet arbre, avant une surface extérieure en forme de cylindre à directrice circulaire ("profil rotorique") et présentant nr rainures identiques, débouchant à la Dériphérie du rotor, angulairement équidistantes, limitées latéralement par deux faces planes parallèles à un même plan médian, radial ou non, - des rouleaux cylindriques, en nombre nr, guidés dans les rainures du rotor de manière à pouvoir rester en contact linéique avec la surface statorique et à constituer ainsi des chambres de travail comprenant le volume limité par le rotor, le stator et deux rouleaux successifs, ainsi que tout ou partie du volume des rainures o se meuvent les deux rouleaux. Nous appellerons "face de poussée" de la rainure la face sur laquelle le rouleau s'applique quand il entraîne le rotor, et "face de conduite" la face sur laquelle il s'appuie quand il est entraîné par le rotor, - une distribution du fluide par des lumières disposées dans le stator et éventuellement assorties de clapets. Des machines à rouleaux fonctionnant en pompes à liquide ont été décrites, construites et sont utilisées; elles présentent une distribution analogue à celle des machines à palettes et des rouleaux ayant un Jeu important dans leur rainure, le passage du rouleau d'une face à l'autre de la rainure lui permettant de jouer un rôle d'organe de distribution interne, évitant en principe qu'un certain volume de liquide puisse, à un moment du E9 cycle, se trouver enfermé dans une chambre de travail dont le -2volume est en diminution. Pratiquement, cette condition ne semble d'ailleurs pas pouvoir être remplie parfaitement, ce.qui se marque par des surpressions momentanées importantes (voir brevet GB 2.028.430 A). Par contre, il semble que l'on n'ait Jamais réalisé de moteur à rouleaux, faute sans doute d'avoir pu réunir l'ensem- ble des particularités de conception assurant une régularité suffisante du couple moteur fourni, le problème se posant avec une acuité particulière quand le fluide auquel la machine prélève de l'énergie est in liquide. La viabilité du moteur à rouleaux objet de l'invention, repose sur l'ensemble des quatre caractéristiques ci-après, que le moteur doit présenter simultanément pour pouvoir délivrer un couple de régularité satisfaisante, en particulier lorsque le fluide auquel l'énergie est prélevée est un liquide: 1. la surface statorique présente un ordre de symétrie égal à deux par rapport à son axe qui coïncide avec l'axe de rotation du rotor; autrement dit, la courbe statorique présente un ordre de symétrie égal à deux par rapport & son centre, qui coïncide avec celui du profil rotorique, 2. le nombre de rainures du rotor (et donc de rouleaux) est imoDair, 3. chaque rouleau présente à l'origine, dans sa rainure, le Jeu minimal compatible avec son mouvement radial relatif, 4. la distribution se fait par des lumières successivement obturées et découvertes par le rotor et les rouleaux, suivant les modalités très particulières décrites ci-après. La distribution comporte deux lumières d'admission et deux lumières d'échappement, dont les premières se situent g0 nécessairement dans un flasque et dont les secondes peuvent se situer dans l'autre flasque ou dans l'anneau statorique. Ces lumières d'admission et d'échappement se localisent de manière différente par rapport au lieu géométrique décrit par les contacts que les rouleaux peuvent avoir avec leur rainure au cours d'une rotation complète du rotor quand ils se maintiennent par ailleurs en contact avec la surface statorique. Le lieu géométrique en question est constitué de deux surfaces réglées très voisines, fermées sur elles-mêmes, correspondant respecti- vement au contact avec la face de poussée et avec la face de conduite. Dans les moteurs conformes à l'invention, les lumières d'admission sont situées tout entières à l'intérieur de ce lieu géométrique, les lumières d'échappement tout entières à l'extérieur de ce même lieu géométrique. La première particularité de la distribution utilisant les lumières ainsi localisées est la suivante: une admission et un échappement successifs dans le sens du mouvement du rotor sont nécessairement fermée et ouvert respectivement par la face de conduite d'une rainure et par le rouleau correspondant. Cette organisation de la distribution diffère donc fondamentale- ment de celle d'une machine à palettes, o une admission et un échappement successifs dans le sens du mouvement sont nécessai- rement fermée et ouvert respectivement par deux palettes successives délimitant une chambre de travail. La deuxième particularité de la distribution réside dans le fait que l'ouverture d'une lumière d'échappement se fait au voisinage de la position du rouleau ooérant qui correspond à son éloignement maximal de l'axe du rotor (à sa "sortie" maximale), et de préférence, exactement dans cette position. Dans un moteur recevant son énergie d'un liquide, la fermeture de l'admission par la face de, conduite de la rainure du rouleau opérant se fait idéalement en même temps que l'ouverture de la lumière d'échappement par le rouleau; dans un moteur recevant son énergie d'un fluide gazeux, la fermeture de l'admission peut, par un décalage angulaire approprié des extrémités des lumières, précéder l'ouverture de l'échappement, de manière à permettre une certaine détente du gaz admis. La troisième particularité de la distribution porte sur les conditions d'ouverture de chaque lumière d'admission: cette ouverture se fait obligatoirement par la face de poussée d'une rainure, et, en raison de la localisation de la lumière d'admis- - 4- sion, le fluide sous pression se trouve nécessairement admis entre le fond de la rainure et le niveau du contact que le rouleau a, à cet instant avec sa rainure s'il est par ailleurs en contact avec la surface statorique. Comme, juste avant l'ouverture de la lumière d'admission, le rouleau est en principe entraîné, il tend à prendre appui sur la face de conduite de sa rainure: des dispositions doivent donc être orises pour que l'écoulement du fluide à haute pression se fasse vers la chambre en expansion. Pour satisfaire pratiquement à cette condition, un canal ouvert doit être prévu dans la face de conduite de la rainure, et la section de ce canal doit être suffisante pour que la résistance au passage du fluide par ce canal soit inférieure à celle qu'il rencontrerait au passage entre le rouleau appuyé sur la face de conduite de sa rainure et la face de poussée de celle-ci, vers l'échappement, ouvert dans l'entre-temps par le rouleau précédent. Cette condition doit être encore satisfaite quand Je rouleau a pris un certain Jeu dans sa rainure. Au point de vue des exigences sur leur courbe statorique, les moteurs à rouleaux conformes à l'invention ne se distinguent pas des machines à palettes: la plupart des courbes statoriques d'allure elliptique utilisées pour ces dernières sont directe- ment transposables aux machines objets de l'invention. Pour faciliter dans toute la mesure du possible la fabrication. de l'anneau statorique, on peut aussi emprunter la courbe statori- que à la technique des assemblages en utilisant la courbe connue de longue date sous le nom de "profil Polygon P2": la surface rotorique peut alors être rectifiée par simple génération mécanique sur des machines connues. Les paramètres à imposer à la génération d'une surface cylindrique ayant pour directrice un profil Polygon P2 se limitent au rayon moyen et à l'excentricité du profil: pour utiliser ce Drofil comme courbe statorique d'un moteur conforme à l'invention, il suffit d'imDoser une excentri- cité égale à la moitié de la course maximale voulue pour les rouleaux et un rayon moyen égal à celui du profil rotorique, majoré de la moitié de la course maximale imposée aux rouleaux. Le nombre des rouleaux est en principe quelconque, pour autant qu'il soit impair, mais il n'est Das judicieux que plus de deux rouleaux puissent être mis simultanément à l'admission q dans chacune des demi-machines séparées par le plan principal de la surface statorique correspondant à sa plus petite courbure. Ce résultat n'est acquis que si nr - 7; l'expérience amène d'ailleurs à considérer comme optimal le nombre de rouleaux n 7. r Il est opportun de minimiser le Jeu que les rouleaux pré- sentent à l'origine dans leur rainure pour satisfaire aussi fa- cilement que possible, même après une certaine usure, à la con- dition imposée par la troisième particularité de la distribu- tion, décrite ci-dessus. On conçoit que l'usure des rouleaux et, dans une mesure moindre, celle des faces de poussée des rainures à la base de leur partie active puisse exercer une influence dé- favorable sur le fonctionnement de la machine quand elle devient très importante: il faut en tout cas choisir les matériaux constitutifs des divers éléments de la machine de manière que l'usure des rouleaux soit aussi faible que possible. On obser- vera à ce propos que dans la machine conçue conformément à ce qui précède, les rouleaux tournent spontanément sur eux-mêmes pendant les parties du cvycle o ils sont entraînés par le rotor, ce qui tend à répartir automatiquement l'usure sur toute leur périphérie. Il est d'autre part évident que l'élancement axial des rouleaux est limité: pour réaliser un moteur de forte cylindrée dont les dimensions transversales sont elles-mêmes limitées, il est donc indispensable de concevoir une machine multicellulaire, comportant des rotors en nombre quelconque k, calés sur un même arbre, et séparés par des cloisons étanches solidaires du stator, de manière à constituer k cellules distinctes, les cloisons jouant pour chacune d'elles le rôle de flasques statoriques. On peut alors tirer profit de l'organisation I5 multicellulaire du moteur pour régulariser aussi parfaitement -6 - que possible le couple à l'arbre moteur: quand les cellules sont identiques, le nombre nr de rouleaux guidés par chaque rotor étant impair, il faut pour atteindre ce but, organiser la machine de manière à décaler successivement, d'une cellule à l'autre, toujours dans le même sens à partir d'une cellule -d'extrémité, les chambres de travail évoluant dans chaque cellule d'un même angle J égal à. Cet effet peut être obtenu en knr décalant angulairement les rotors sur leur arbre sans décaler les anneaux statorioues, ou en décalant angulairement les anneaux statoriques sans décaler les rotors, ou encore en combinant les deux possibilités. On observera que si le nombre des cellules est pair, et si l'on groupe alternativement les lumières de même nom dans les voiles de séparation successifs, les poussées axiales dues aux pressions du fluide sur les rotors s'équilibrent spon- tanément et lés paliers de la machine sont donc libres de tout effort axial dû au fluide. Quand le moteur peut ou doit comporter au moins deux cellules identiques, on peut apporter une variante à l'inven- tion, selon laquelle le nombre de rouleaux n r* guidés par chaque rotor est pair. Si la machine répondant à cette variante est bi-cellulaire, on ne peut obtenir une régularité suffisante du couple à l'arbre de la machine que si les chambres de travail évoluant dans chacune des cellules sont décalées d'un angle a suffisant, la plus grande régularité étant obtenue pour 6 = n quand les cellules sont identiques. L'intérêt de cette r variante réside dans le fait qu'à cause du nombre pair des rouleaux, la résultante radiale des pressions du fluide sur chaque rotor est nulle en permanence: il n'y a donc aucun effort radial dû au fluide sur les paliers de la machine. Si par surcroît, on localise-dans la cloison de séparation les lumières de même nom, les poussées axiales sur les rotors peuvent être équilibrées aussi et les paliers sont alors soustraits à tout effort dû au fluide. Lorsque le nombre k de cellules identiques est supérieur à deux, on obtient une régularité aussi grande que possible du couple à l'arbre en - 7 - décalant successivement d'une cellule à l'autre, toujours dans le même sens à partir d'une cellule d'extrémité les chambres de tra- vail évoluant dans cheque cellule d'un même angle =. Si le nombre k est pair, il est encore possible d'organiser la machine comme on l'a vu plus haut pour que les poussées axiales dues aux pressions du fluide sur les rotors s'équilibrent spontanément. Que le nombre des rouleaux soit- pair ou impair, l'effort appliqué par le fluide à un rouleau dans les machines conformes à l'invention est pratiquement constant aussi longtemps que ce rouleau est moteur: le bras de levier de cet effort est accru quand on incline, dans le sens convenable, le plan médian de chaque rainure d'un même angle g sur le plan radial contenant la génératrice de la surface extérieure du rotor appartenant au plan médian de la rainure. On est cependant limité dans cette voie par la nécessité de conserver, pour une course maximale donnée des rouleaux un guidage suffisant de ceux-ci dans leur rainure. On observera encore que, bien que conçues fondamentale- ment comme des machines motrices, les machines conformes à l'invention dans lesquelles la fermeture d'une admission et l'ouverture de l'échaopement consécutif sont simultanées ou quasi-simultanées, peuvent être utilisées comme pompes à simple transfert, quel que soit le fluide pompé, si on les entraîne par un moteur quelconque dans le sens inverse de la machine motrice, les lumières d'admission et d'échappement se trouvant ainsi inversées. De telles pompes ne connaissent aucune surpression indésirable, même lorsque le fluide pompé est un liquide, mais elles demandent pratiquement à être munies d'un clapet anti- retour sur chacun des échappements. O0 On peut de la même manière utiliser en compresseur pour fluide gazeux une machine conforme à l'invention dans laauelle il existe un décalage angulaire approprié entre la fin d'une admission et le début d'un échappement consécutif. L'intérêt majeur que présentent les machines conformes à R5 l'invention, pour un grand nombre d'applications, résulte de la -8 - simplicité des formes de leurs éléments constitutifs: il est notamment possible de réaliser la plupart d'entre eux par frittage et de minimiser les usinages ultérieurs. En particu- lier, il est en principe possible, pour ' des applications difficiles, de réaliser en néocéramiques tous les éléments du capsulisme soumis à l'usure abrasive. Les figures 1 et 2 de la planche 1/1 montrent à titre d'exemple non limitatif un moteur monocellulaire conforme à 1 'invention. La figure 1 est une coupe transversale du moteur; cette coupe présente un centre de symétrie 0. La figure 2 est une coupe axiale du moteur suivant le dièdre dont la section normale par le plan de la figure 1 est la ligne brisée AOB, les deux demi-coupes correspondant respectivement à chacun des demi-plans du dièdre étant rabattues dans le plan axial dont la trace dans le plan de la figure 1 est la droite CD. Le moteur comporte un stator constitué des flasques 1 et 2, ici réalisés en deux pièces, et d'un anneau statorique 3. Le rotor 4 est calé sur l'arbre 5, en liaison rotonde avec le sta- tor par l'intermédiaire des roulements 6 et 7. Le rotor, qui *tourne dans le sens de la flèche, présente sept rainures telles que 8, guidant sept rouleaux tels que 9, 10 et 11. Les deux lu- mières d'admission 12 et 13 sont localisées dans le flasque 1 et les deux lumières d'échappement 14 et 15 dans le flasque 2. Dans ?5 la Dosition représentée du rotor, le rouleau 10, en fin de pé- riode de motricité, est sur le point d'ouvrir la lumière d'é- chappement 14, et la face de conduite 16 de sa rainure est sur le point de fermer la lumière d'admission 12; le rouleau 9 est sur le point de devenir moteur et la lumière d'admission 12 ali- R0 mente déjà la chambre de travail en expansion 17 par le canal ouvert 18 prévu dans la face de conduite de sa rainure. Le rou- leau 11, appliqué sur la face de poussée 19 de sa rainure est en pleine période de motricité. Tous les autres rouleaux sont entraînés. La courbe statorique 20 est ici un profil Polygon P2. 9 2564528 REVENDICATIONS 1. Moteur volumétrique à rouleaux, recevant de l'énergie de n'im- porte quel type de fluide, comportant un stator (1 à 3) constitué d'un anneau statorique (3) et de deux flasques (1, 2), l'anneau statorique (3) présentant intérieurement une surface statorique cylindrique ayant une symétrie axiale d'ordre deux, un arbre (5) en liaison rotofde avec le stator (1 à 3), l'axe de l'arbre (5) coincidant avec celui de la surface statorique, un rotor (4) calé sur cet arbre (5) ayant un profil rotorique circulaire et présentant un nombre impair nr de rainures (8) radiales identiques, angulairement équidistantes, limitées latéralement par une face de conduite (16) et une face de poussée (19) situées dans deux plans parallèles et débouchant à la périphérie du rotor (4), des rouleaux (9 à 11) guidés dans chacune de ces rainures (8) de manière à pouvoir rester en contact linéique avec la surface statorique et présentant à l'origine dans leur rainure le jeu minimal penrmettant leur mouvement radial relatif, deux lumières d'admission (12, 13) appartenant à un flasque (1) et deux lumières d'échappement (14, 15) appartenant à l'une des pièces que sont l'autre flasque (2) et l'anneau statorique, lesquelles lumières (12 à 15) étant éventuellement assorties de clapets, ce moteur étant CARACTERISE - en ce que les lumières d'admission (12, 13) se localisent en- tièrement à l'intérieur du lieu géométrique des contacts que les rouleaux (9 à 11) peuvent avoir avec leur rainure (8) quand ils se maintiennent par ailleurs en contact avec la surface statoriqué, - en ce que les lumières d'échappement (14, 15) se localisent entièrement à l'extérieur de ce mâne lieu géométrique, - en ce qu'une admission (12 ou 13) et un échappement (14 ou 15) successifs dans le sens du mouvement du rotor (4) sont respectivement fermée et ouvert par la face de conduite (16) d'une rainure (8) et par le rouleau (9, 10, 11) correspondant, - en ce que cette ouverture et cette fennetuzre, idéalement simul- tanées, se font au voisinage de la position du rouleau opérant (9, 10 ou 11) qui correspond à sa sortie maximale et, - en ce que l'ouverture de chaque lumière d'admission (12 ou 13) se fait par la face de poussée (19) d'une rainure (8), un canal ouvrert (18) étant prévu dans la face de conduite (16) de cette rainure (8) pour canaliser l'écoulement de fluide vers la chambre de travail en expansion (17). 2564528 2. Moteur volumétrique selon la revendication 1 caractérisé en ce cpque le plan médian de chaque rainure (8) est incliné d'un angle (i) sur le plan radial contenant la génératrice de la surface extérieure du rotor (4) appartenant au plan médian de la rainure (8). 3. Moteur volumétrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les lumières d'échappement sont localisées dans l'anneau statorique (3). 4. Moteur volumétrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que chaque lumière d'échappement (14, 15) est positionnée de manière que son ouverture se fait exactement dans la posi- tion du rouleau opérant (9, 10, 11) qui correspond à sa sortie maximale. 5. Moteur volumétrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte des rotors (4) en nombre K quelconque différent de un, calés sur un mâém arbre (5) et séparés par des cloisons étanches solidaires du stator (1 à 3), dé manière à constituer K cellules distinctes pour chacune desquelles les cloisons sont conformées de manière à jouer lé rôle des flasques statoriques (1, 2). 6. Moteur volumétrique selon la revendication 5 caractérisé en ce que, d'une cellule à une autre, les chambres de travail sont décalées angulairement. 7. Moteur volumétrique selon la revendication 6 caractérisé: - en ce que les cellules sont en nombre K supérieur à -deux et sont identiques, et en ce que, à partir d'une cellule d'extrémité, leur décalage s'opère successivement d'une cellule à la suivante toujours dans le m&re sens et d'un mêem angle (d) égal àKJ. 8. Moteur volumétrique selon ila revendication 5 caractérisé en ce que ce rotor guide un nombre pair nr* de rouleaux. 9. Moteur volumétrique selon la revendication 8 caractérisé: - en ce que les cellules sont en nombre K supérieur à deux et sont identiques et, - en ce que à partir d'une cellule d'extrémité, leur décalage s'opère successivement d'une cellule à la suivante toujours dans le mmne 2 I sens et d'un mrne angle (&) égal à 2F *. 10. Moteur volumétrique selon 'une quelconque des revendications 1 à 9 recevant de l'énergie exclusivement d'un fluide gazeux, carsactérisé en ce que chaque fin d'admission (12, 13) est, par rapport au début de l'échappement (14, 15) consécutif, décalée d'un angle tel que, dans l'in- tervalle, une certaine détente de gaz admis soit permise. 11. Moteur volumétrique selon l'une quelconque des rêvendications 1 à 9 caractérisé en ce que, lorsqu'il est utilisé en pompe à simple transfert ou en compresseur, son arbre (5) est entraîné par un autre moteur en sens inverse de celui défini pour son fonctionnement en machine motrice de manière à assurer l'inversion des lumières d'admission (12, 13) et d'échappement (14, 15).