Brevet FR2564907A1 — publié le 19851129

- 1 - MACHINE A FLUIDE DU TYPE ROTATIF La présente invention concerne de façon générale une machine ro- tative, et plus particulièrement une machine à fluide du type rotatif. La construction caractéristique d'un compresseur du type à spira- le, par exemple, connu de façon générale dans la technique des machines de compression de fluide travaillant selon le principe général illustré schématiquement sur la Figure 4, comprend deux éléments de spirale ou de volute dont la section transversale est de forme identique, un premier élément de spirale 2 étant positionné de manière fixe sur la surface d'une plaque terminale d'étanchéité pourvue d'une ouverture de sortie gé- néralement centrale 4. Outre cette construction, ces deux éléments de spirale sont, en rotation, décalés de 180 l'un par rapport à l'autre, leur position relative étant également décalée d'une distance 2F (= pas du tracé de la spirale - 2 x épaisseur d'une plaque d'élément de spira- le), de manière ce qu'ils soient emboltés l'un dans l'autre selon la dis- position représentée schématiquement sur la figure, dans laquelle leur position relative leur permet de venir en contact l'un avec l'autre en quatre points 51, 52 et 51', 52'. Conformément à cette construction, on remarque en outre que le premier élément de spirale 2 est positionné de manière stationnaire, le second élément 1 étant disposé de manière à ac- complir une révolution ou un déplacement orbital selon un rayon f =0, O' autour du centre O de l'élément de spirale 2, sans accomplir de rotation ni de déplacement orbital sur son propre axe, en utilisant un mécanisme à excentrique ayant un rayon f. Dans une telle construction, il est ainsi défini de petits espa- ces ou chambres 3, 3 qui sont hermétiquement closes et s'étendent respec- tivement entre les points de contact 51, 52 et 51', 52', le volume des- dites chambres 3, 3 variant progressivement en fonction du mouvement or- bital ou de la révolution de l'élément de spirale 1. De façon plus spécifique, lorsque l'élément de spirale 1 est ame- né à subir une première révolution de 90 à partir de l'état représenté sur la Figure 4(A), il prend alors la position représentée sur la Figure 4(B), puis, lorsqu'il subit une révolution de 1800, sa position est celle représentée sur la Figure 4(C), et, lorsqu'il subit une nouvelle révolu- - 2 - tion de 270 , sa position est alors celle représentée sur la Figure 4(D). Tandis que l'élément de spirale 1 effectue une révolution, le volu- me des petites chambres 3, 3 décroît progressivement au fur-et-à-mesure, et le cas échéant, ces chambres viennent en communication l'une avec l'autre pour former ensemble une seule petite chambre 53 hermétiquement close. Dans ce cas, lorsqu'il accomplit une nouvelle révolution de 90 à partir de l'état représenté sur la Figure 4(D), il revient à la position représentée sur la figure 4(A), et la petite chambre 53 est alors amenée à voir son volume diminuer lorsqu'elle passe de l'état représenté sur la figure 4(B) à celui de la figure 4(C) et elle peut alors avoir un volume minimal intermédiaire entre les états représentés sur les Figures 4(C) et (D). Pendant cette phase du mouvement de révolution, des espaces exté- rieurs, qui commencent à s'ouvrir comme le montre la Figure 4(B), augmen- tent de volume tandis que l'élément 1 passe de l'état de la figure 4(C) à celui de la Figure 4(A) en passant par l'état de la Figure 4(D), ce qui introduit ainsi une nouvelle quantité d'air frais, depuis lesdits espaces extérieurs, dans la petite chambre hermétiquement close, de manière à fu- sionner le cas échéant entre eux, ce cycle de mouvement de révolution étant alors répété de manière à ce que le gaz ainsi admis dans les espa- ces extérieurs des éléments de spirale puisse être comprimé en conséquen- ce, puis évacué dans cet état par l'ouverture de sortie 4. La description qui vient d'être faite concerne le principe géné- ral de fonctionnement d'un compresseur du type à spirale, et si l'on se réfère à-présent plus concrètement à la construction de ce compresseur du type à spirale représenté sur la Figure 5, qui est une coupe longitudina- le montrant la construction générale du compresseur, on voit qu'un carter est composé d'une plaque terminale frontale 11, d'une plaque terminale arrière 12 et d'une paroi cylindrique 13. La plaque terminale arrière 12 est pourvue d'une lumière d'admission 14 et d'une lumière de sortie 15 s'étendant vers l'extérieur du carter, et elle comporte également un élé- ment de spirale stationnaire 25 monté de manière fixe et comportant une ailette hélicoïdale ou spiralée 252 et un disque 251. La plaque terminale frontale 11 est conçue de manière à recevoir à pivotement une broche 17 pourvue d'un maneton 23. Ainsi que le montre de manière caractéristique la Figure 6, qui est une vue en coupe transversale selon le plan défini - 3 par les flèches VI-VI de la Figure 5, un élément tournant de spirale 24, comportant un élément de spirale 242 et un disque 241, est disposé en re- lation fonctionnelle avec le maneton 23 par l'intermédiaire d'un mécanis- me de révolution qui comporte un palier radial à aiguilles 26, un bossage 243 de l'élément tournant 24, un élément à manchon carré 271, un élément à coulissement 291, un élément annulaire 292, et une butée d'arrêt. Conformément à la construction générale d'un tel compresseur du type à spirale, sa configuration générale est telle que le volume de la petite chambre 53 voit son volume se réduire tandis que l'élément tour- nant accomplit un mouvement de révolution, le fluide comprimé étant ainsi évacué par sa lumière de sortie. Compte-tenu de l'épaisseur que présen- tent les éléments de spirale qu'elle contient, il est toutefois inévita- ble que le volume de la petite chambre ne puisse être réduit jusqu'à de- venir nul, ce qui se traduit par l'existence d'un volume dit "volume mort", qui ne peut être réduit à zéro. On doit remarquer à cet égard que le fluide restant à l'état comprimé dans ce volume mort n'a pas la possi- bilité d'être évacué par la lumière de sortie 4, et est susceptible d'ê- tre refoulé dans les petites chambres 3, 3. En conséquence, la quantité de travail effectuée par la machine de compression et correspondant à ce volume mort, doit être considérée comme un travail perdu. En vue de pallier à l'inconvénient susmentionné, il a été proposé une machine à fluide du type rotatif comportant des éléments de spirale ou de volute et présentant une construction telle que représentée à titre d'exemple de l'art antérieur sur la Figure 7, selon la demande de brevet japonais n0 206.088/1982. En se référant plus précisément à la Figure 7, cette construction comprend un élément de spirale stationnaire 501, dans lequel les courbes des surfaces radialement extérieure et intérieure de l'élément de spirale 501 sont désignées respectivement en 601 et 602. La courbe radialement extérieure 601 est définie comme une développante ayant un rayon de cer- cle de base b et un point d'origine A; le segment de courbe E-F de la courbe radialement intérieure 602 est une courbe développante présentant un décalage de phase de (Et- f/ b) par rapport à la courbe radialement extérieure 601, et le segment D-E est un arc de cercle de rayon R. De mê- me la courbe 603 reliant les courbes radialement extérieure et intérieure - 4- 601 et 602 est un arc de cercle de rayon r. Le point A est le point-ori- gine de la courbe extérieure 601 dans la développante, et le point B est le point de tangence de la courbe extérieure 601 et de la courbe de tran- sition 603, point o les deux courbes partagent la même droite tangente. Le point C est un point défini arbitrairement à l'extérieur de la courbe extérieure 601, et le point D est le point de tangence des courbes inté- rieure 602 et de transition 603, point o s'étendent deux arcs ayant res- pectivement des rayons R et r en osculation réciproque. Le point E est un point de tangence des segments d'arc (D-E) de la courbe intérieure 602 et du segment de développante E-F, point o les deux courbes partagent la même tangente. Le point F est un point situé arbitrairement à l'extérieur de la courbe intérieure 602. Le second élément de spirale 502, qui est l'élément tournant, a une construction identique. Les rayons R et r sont donnés par les équations suivantes: R = t + bu + d (1) r = b + d (2) dans lesquelles p est le rayon du mouvement de révolution; b est le rayon d'un cercle de base; 2 2 b - (ô12 + bp) - d:-------------------- (3) 2 ( /2 + bu) et Le paramètre y est égal à un angle défini par un segment de droi- te passant par l'orgine 0 et l'axe des X dans le quadrant négatif. Deux points d'intersection du segment de droite passant par l'origine 0 et en formant un angle, ainsi que le cercle de base, sont compris dans les segments E02 et B01. De même les segments de droite E02 et B01 sont en relation d'osculation avec le cercle de base aux points d'intersection susmentionnés. D'une façon plus précise, le paramètre P est défini comme étant une condition limite donnée pour l'établissement de la développante des- tinée aux courbes radialement extérieure et intérieure dans la configura- tion de l'élément de spirale, et, à l'inverse, ce paramètre y définit le 5- cas échéant les points limites E et B correspondant à l'obtention d'une développante recherchée. Dans une machine de compression comportant les éléments de spira- le 252 et 242 présentant la configuration susmentionnée et fonctionnant avec une charge élevée, pour laquelle il existe de façon générale une différence appréciable de pression entre le côté basse pression et le cô- té haute pression de la machine, on a toutefois pu constater qu'il y avait une probabilité élevée, la rigidité de l'extrémité d'attaque inté- rieure de l'élément de spirale, désignée par une flèche sur la figure 4(A) , étant relativement plus faible que celle d'autres parties, pour que cette extrémité d'attaque subisse une rupture pendant le fonctionnement. En conséquence, il serait souhaitable que la hauteur de l'élément de spirale ne soit pas trop grande. Compte-tenu de cette exigence, il est donc usuel, lors de la conception d'une machine présentant des déplace- ments utiles importants, d'augmenter la valeur du rayon du cercle de base b ou du rayon m du mouvement de révolution de l'élément de spirale, mais non celle de la hauteur, ce qui se traduit par une augmentation du diamè- tre extérieur hors-tout de l'élément de spirale. Une telle augmentation constitue toutefois un inconvénient quant à la compacité et à la facilité de manipulation de la machine tournante. La présente invention s'est fixé pour but de pallier les inconvé- nients susmentionnés et se propose de réaliser une machine à fluide du type rotatif perfectionnée apte à apporter une solution efficace aux pro- blèmes de l'art antérieur. Le but essentiel de l'invention est en consé- quence de proposer un perfectionnement d'un machine à fluide du type ro- tatif, ledit perfectionnement consistant à protéger efficacement l'extré- mité d'attaque intérieure de l'élément de spirale contre toute rupture pendant son fonctionnement, la hauteur desdits éléments de spirale ou de volute compris dans la machine étant calculée pour être supérieure à cel- le de telles machines selon l'art antérieur, en augmentant le volume-de la machine sans accroître pour autant son diamètre extérieur hors-tout. Ce but est atteint selon l'invention par une configuration per- fectionnée d'une machine à fluide du type rotatif, comportant un élément de spirale tournant et un élément de spirale stationnaire qui ont l'un et l'autre une configuration sensiblement identique et qui sont disposés de 6- manière à s'emboîter l'un dans l'autre en étant décalés de 180 l'un par rapport à l'autre, l'élément de spirale tournant étant conçu pour accom- plir un mouvement de révolution orbitale f par rapport à l'élément de spirale stationnaire, ladite machine étant caractérisée en ce que les deux éléments de spirale sont respectivement pourvus d'un profil présen- tant un segment de courbe radialement extérieure définissant une dévelop- pante de cercle, un segment de courbe radialement intérieure définissant une autre développante de cercle sur un arc ayant un rayon R, et un arc ayant un rayon r reliant de manière régulière ledit segment de courbe ra- dialement extérieure et ledit arc de rayon R, en obéissant à une relation géométrique donnée par les équations suivantes: R = + b3 + d r = b + d 2) 2 b - ( /2 +bp)2 2( /2 + bP) dans lesquelles: a 135 ; et b est le rayon d'un cercle de base de ladite développante de cercle. Selon la construction avantageuse ainsi définie, la machine à fluide selon l'invention présente un effet et un fonctionnement permet- tant de disposer d'une machine à fluide de grande capacité, ledit avan- tage étant du à un perfectionnement de la conception de la machine, con- sistant à protéger l'extrémité intérieure d'attaque des éléments de spi- rale inclus dans la machine contre tout risque de dommages susceptible de survenir pendant son fonctionnement, et à augmenter la hauteur des élé- ments de spirale par rapport celle d'une construction conventionnelle, sans pour autant augmenter le diamètre extérieur desdits éléments de spi- rale, disposition qui est sensiblement avantageuse dans des applications industrielles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti- ront plus clairement de la description plus détaillée qui va maintenant être donnée d'un mode de réalisation préféré de l'invention, à titre -7 d'exemple nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en élévation frontale mon- trant la configuration d'un élément de spirale inclus dans la machine à fluide du type rotatif selon un mode de réalisation préféré de la présente invention; - la figure 2 est une représentation graphique montrant la rela- tion réciproque entre le paramètre l et la contrainte mécanique exercée sur l'extrémité d'attaque intérieure de l'élément de spirale de la figure 1; - la figure 3 est une vue en élévation similaire à celle de la figure 1, et montre la configuration de l'élément de spirale de la figure 1 pour une valeur du paramètre ( égale à 135 O - les figures 4 (A) à (D) sont des vues schématiques montrant le principe de fonctionnement d'un compresseur selon l'art antérieur; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale montrant la construction générale d'un compresseur selon l'art antérieur; - la figure 6 est une vue en coupe transversale selon la ligne VI-VI de la figure 5; et - la figure 7 est une vue schématique montrant la configuration de l'élément de spirale tel qu'il est conçu pour équiper une machine à fluide du type rotatif selon la Demande de Brevet Japonais N 206,088/ 1982. On se référera tout d'abord à la figure 1, qui est une vue en élévation frontale montrant un premier mode de réalisation de l'élément de spirale de l'invention, à la figure 2, qui est une représentation gra- phique de la relation entre le paramètre et la contrainte s'exerçant sur l'extrémité intérieure d'attaque de l'élément de spirale de la figure 1, et à la figure 3, qui est une vue en élévation similaire à celle de la figure 1, montrant la configuration de l'élément de spirale de la figure 1 pour une valeur de 135 du paramètre 3. Les parties de la figure 1 identiques à des parties de la figure 7 sont désignées par des références identiques. On a ainsi représenté la configuration détaillée de l'élément de spirale de l'invention, dans la- -8- quelle P1,,2 eta3 sont des paramètres de courbure donnés dans une rela- tion telle que ( '1 Sur la figure 1, un point A désigne le point origine d'une déve- loppante ayant un rayon de cercle de base b. De même, un point A' désigne un point situé sur la développante ayant un rayon de cercle de base, b et dont la phase angulaire présente un décalage (t - b /j), ce point cons- tituant le point spécifique o a lieu la venue en contact avec le point A de l'élément de spirale complémentaire. Les points B1, B2 et B3 sont des points limites de la courbe radialement extérieure de l'élément de spirale lorsque le paramètres prend respectivement les valeurs de 7.1 y 2 J33 E1, E2 et E3 désignent des points limites de la courbe radiale- ment intérieure de l'élément de spirale lorsque le paramètrepprend res- pectivement les valeurs de P1., 2,3. De même B1 et E1, B2 et E2, ainsi que B3 et E3 désignent respectivement des points de contact pour lesquels l'élément de spirale considéré peut venir en contact avec l'élé- ment complémentaire. Ainsi que le montre de manière évidente cette figure, plus le pa- ramètre P a une grande valeur, plus l'extrémité d'attaque intérieure de l'élément de spirale a une épaisseur importante, en conférant ainsi une plus grande rigidité de cette partie spécifique de l'extrémité d'attaque. Il en découle également qu'une contrainte affectant l'extrémité d'attaque intérieure de l'élément de spirale, telle que désignée par une flèche sur la figure 4(A), a tendance à prendre une valeur plus basse, ainsi qu'on le voit de manière typique sur la figure 2. Lorsque le paramètre ( a une valeur égale ou supérieure à 1350, on conçoit aisément que, en raison de la diminution notable, représentée sur la figure 2, des contraintes engendrées dans l'extrémité d'attaque intérieure de l'élément de spirale, il est possible de prévenir tout ris- que de rupture ou de dégradation tel qu'il se manifeste au niveau de cet- te partie d'un élément de spirale selon l'art antérieur soumis à une charge élevée pendant son fonctionnement. - 9 - La figure 3 est une vue de détail montrant le profil de l'élément de spirale lorsque le paramètre angulaire y a une valeur de 1350. Sur la figure, un élément de spirale stationnaire est désigné en 700, et compor- te une courbe radialement intérieure 702 et une courbe radialement exté- rieure 701, ainsi qu'une courbe de transition 703. La relation qui unit les emplacements d'autres points A, A', E, B, F et C, est identique à celle du mode de réalisation susmentionné, et cette relation géométrique de l'élément de spirale complémentaire se maintient intacte de la même manière. En outre, lorsque le paramètre angulaire( est supérieur à 135 se-lon le principe de la présente invention, il est avantageux que la ri- gidité de l'extrémité d'attaque intérieure de l'élément de spirale, qui est la plus faible de l'ensemble de l'élément, croisse jusqu'à une valeur suffisante pour donner une utilisation satisfaisante. A cet égard, il est ainsi pratiquement réalisable de donner une hauteur appropriée plus gran- de à l'élément de spirale à incorporer dans la machine à fluide du type rotatif, sans augmenter le diamètre extérieur hors-tout de l'élément de spirale, ce qui contribue ainsi à augmenter sensiblement la course de travail utile de la machine. En liaison avec la construction avantageuse des éléments de spi- rale incorporés dans la machine à fluide du type rotatif selon la présen- te invention, de nombreuses variantes avantageuses peuvent être réalisées dans la pratique, à savoir: (1) Ainsi que le montre de manière typique la figure 3, en traits in- terrompus, on peut également définir, en variante, une courbe radialement intérieure 704 dans le segment curviligne E - G, cette courbe définissant un écartement AC radialement extérieur à la courbe intérieure 702. Dans cette configuration le point G est un point arbitraire situé entre les points D et B de la courbe de transition 703. Sur la figure, l'écartement AC est représenté à une échelle exagérée pour la clarté de l'illustra- tion, mais on peut lui donner une valeur très petite. (2) On peut remplacer la formation de l'écartement AC dans la courbe radialement intérieure, en ménageant, à titre de variante, un écartement àC sur la partie de la courbe de transition 703, ou à la fois sur cette dernière et sur la courbe radialement extérieure 701. La partie 15 peut - 10 - être maintenue en position d'une manière appropriée. (3) Une autre variante consiste à donner à un premier élément de spi- rale la configuration représentée sur la figure 1, et à ne réaliser un écartement AC que sur l'élément de spirale complémentaire, cet écartement pouvant être formé en combinant les profils de la courbe intérieure et de la courbe de transition, ou en incluant la courbe extérieure ainsi qu'il est indiqué aux paragraphes (1) et (2) ci-dessus. (4) De même, on peut adopter une autre variante de construction, dans laquelle les deux éléments de spirale sont pourvus d'un petit évidement pour définir entre eux un écartement sur une partie de la courbe inté- rieure et de la courbe de transition, ou bien en incluant la courbe exté- rieure. Quelle que soit la variante du profil des éléments, on ne définit entre eux qu'un petit écartement AC qui peut apporter l'effet avantageux recherché selon la Demande de Brevet Japonais No 206,088/1982, se tradui- sant par une amélioration de l'efficacité de la machine à fluide. (5) En résumé, on notera que la présente invention peut être appli- quée de manière adaptée, avec un effet sensiblement égal, à toute instal- lation comportant des éléments de spirale, telle qu'un compresseur de fluide, une pompe, un détendeur de fluide, et autres machines similaires. - 11 - REVENDICATION Machine à fluide du type rotatif comportant un organe en spi- rale stationnaire (700) et un organe en spirale tournant qui ont l'un et l'autre une configuration sensiblement identique et qui sont disposés de manière à s'emboîter l'un dans l'autre en étant décalés de 180 l'un par rapport à l'autre, ledit organe en spirale tournant étant conçu pour ac- complir un mouvement de révolution orbitale (y) par rapport audit orga- ne en spirale stationnaire, ladite machine à fluide étant caractérisée en ce que les deux organes en spirale sont respectivement pourvus d'un profil présentant un segment de courbe radialement extérieure (702) défi- nissant une développante de cercle, un segment de courbe radialement in- térieure (701) définissant une autre développante de cercle sur un arc ayant un rayon (R), et un arc (703) ayant un rayon (r) reliant de manière régulière ledit segment de courbe radialement extérieure et ledit arc de rayon (R), en obéissant à une relation géométrique donnée par les équa- tions suivantes: R + b(3+ d r = b + d b - (f /2 + bp)2 2( f /2 + bjl) dans lesquelles ( -)> 135 , et (b) est le rayon d'un cercle de base de ladite développante de cercle.