Brevet FR2575260A1 — publié le 19860627

Les compresseurs et pompes à piston sont utilisés depuis longtemps pour le refoulement de gaz ou liquides divers tels que l'air, la vapeur d'eau, l'oxygène, les "Fréons", les hydrocarbures et autres fluides. Lorsqu'unie très bonne étanchéité est requise entre chemise et piston, on a recours à un segment. A 11 origine, les segments étaient des anneaux métalliques comparables à ceux utilisés pour les pistons de moteurs à combustion, la friction entre chemise et segment étant réduite par lubrification dynamique à l'huile0 Les inconvénients de ce type de segment étaient les suivants : - émission de gouttelettes et de vapeur d'huile dans le gaz comprimé, ce qui pouvait poser des problèmes de sécurité (explosion dans le cas de l'oxygène) ou dthygiène (air comprimé pour la respiration ou vapeur alimentaire), - vitesse linéaire du piston limitée à une dizaine de mètres/seconde, - nécessité d'un système d'alimentation d'huile sous pression. Pour un certain nombre d'applications, ces segments ont été remplacés par des segments à frottement sec (ctest-à-dire non lubrifiés) en "Téflon" éventuellement chargé de carbone et qui, par rapport aux précédents, présentent les avantages suivants s - absence d'émission dthuile dans le gaz comprimé, - absence de système de lubrification. De tels segments à frottement sec sont largement utilisés dans les compresseurs d'air en vertu de ces avantages. Mais ils entratnent en contrepartie certains inconvénients : - température maximale limitée à 1400C (lorsqu'on veut réaliser des taux de compression élevés on est contraint d'installer des étages multiples avec refroidisseurs intermédiaires), - vitesse linéaire limitée à 4 m/s, si l'on veut atteindre une durée de vie dtau moins un an en conte nu, - émission de poussières (polluantes ou dangereuses) dans le fluide comprimé (en quantité toutefois moindre que les émissions d'huile des compresseurs lubrifiés). La présente invention concerne une amélioration de la segmentation des compresseurs à piston et vise plus particulièrement à se dispenser des huiles et polymères organiques pour assurer la fonction d'étanchéité d'un assemblage piston-cylindre, avec comme objectifs : --d'eviter les émissions polluantes ou dangereuses dans le fluide comprimé (pour comprimer de ltoxy- gène, de la vapeur d'eau alimentaire etc...), - d'autoriser des températures finales de compression beaucoup plus élevées, permettant ainsi de supprimer les échangeurs de refroidissement entre étages, - d'augmenter soit la durée de vie à vitesse égale de la segmentation (d'où diminution des coûts d'entretien) soit la vitesse linéaire à durée de vie égale (d'où diminution de la cylindrée). L'liée de base de l'invention consiste à remplacer-la lubrification fluidodynamique avec fluide organique à haute viscosité par une lubrification fluidostatique avec fluide minéral à basse viscosité, par exemple de l'eau ou de l'air, présentant le double avantage d'inertie chimique et de bien meilleure tenue en température que les produits organiques. En d'autres termes, la segmentation sera, conformément à la présente invention, lubrifiée par un coussin d'air ou d'eau intercalé entre le piston et la paroi du cylindre, ce coussin fluide se substituant d'ailleurs au segment d'étanchéité classique à bague frottante montée autour du piston. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut titre réa- lisée. La figure 1 est une vue schématique, partiellement en coupe, d'une installation de type hydrostatique faisant appel à de l'eau sous pression, selon un mode de réalisation de- la présente invention. La figure 2 est une vue analogue d'une variante de l'invention visant une installation de type pneumostatique faisant-appel-à de l'air ou autre gaz comprimé. La figure 3 est une vue en coupe longitudi- nale à plus grande échelle montrant un détail entouré du cercle III sur les figures 1 et 2. La figure 4 en est une vue analogue mais en coupe partielle transversale. Sur les figures 1 et 2 sont désignées par des lettres de référence les pièces appartenant au domaine de la technique antérieure, les chiffres de référence étant réservés aux pièces faisant à proprement parler partie de la présente invention. Sont ainsi représentés sur ces figures le cylindre C d'un dispositif D faisant office de compresseur, pompe, vérin ou analogue (on sten tiendra dans la suite au rtle de compresseur), avec ses clapets d'aspiration et de refoulement S et son piston P dont la tige T coopérant avec une coulisse de guidage G est attelée à une bielle B articulée sur la manivelle M de vilebrequin V. Selon l'invention, la segmentation d'étanchéité entre la surface externe du piston de compresseur P et la paroi du cylindre C est assurée au moyen d'un dispositif de segment fluide 1, mieux visible sur les vues agrandies de détail des figures 3 et 4. Ce dispositif de segment fluide 1 comporte essentiellement une juxtaposition circulaire de segments élémentaires 2 qui se succèdent autour de la surface externe lisse du piston P et qui forment un anneau de buses mobiles logées avec guidage radial dans une gorge annulaire 3 creusée dans la paroi du cylindre C et prolongée par un collecteur 4 dans lequel débouchent un ou plusieurs canaux 5 d'alimentation en fluide sous pression. On notera sur la figure 3 que chaque segment élémentaire 2 est étagé, présentant un gradin intermédiaire épousant le raccordement également en gradin de la gorge annulaire 3 avec le collecteur 4.Dans le corps de ce segment étagé 2 est pratiqué un passage étranglé 6 mettant en communication permanente, avec perte de charge, une capacité postérieure profonde 7 stouvrant largement vers le collecteur 4 d'une part et une cuvette antérieure aplatie 8 en regard de la surface externe lisse du piston P d'autre part ; cette cuvette aplatie 8 est délimitée par des protubérances terminales à face lisse 9 adjacentes à ladite surface externe lisse du piston P et définissant avec elle deux passages laminaires étroits 10 et 11 de fuites de la cuvette 8 en direction de la chambre de compression du cylindre C pour ce qui concerne le passage 10 et en direction opposée pour ce qui concerne le passage 11. Le dispositif de segment 1 ainsi conçu est alimenté en fluide sous pression délivré par le canal d'arrivée 5 au collecteur 4. Ce fluide sous pression, après perte de charge en 6, forme dans la cuvette 8 un coussin agissant contre la surface externe lisse du piston P et puis fuit en partie par 10 vers la chambre de compression du cylindre C et en partie par 11 vers le carter, comme indiqué par les flèches sur la figure 3. La configuration étagée du piston élémentaire 2 (soumis d'une part à la haute pression du collecteur 4 stexerçant sur sa face postérieure mineure et d'autre part à la contre-pression --réduite de la perte de charge en 6-- du coussin 8 s'exerçant sur sa face antérieure majeure) lui confère l'autostabilité propre aux systèmes à coussins de fluide sous pression. Selon une particularité de la présente invention, les segments élémentaires 2 sont associés à un ressort de traction 12 agissant dans le même sens que la contrepression du coussin 8, c'est-à-dire sollicitant les pistons élémentaires 2 à l'écart de la surface externe lisse du piston P.Ce ressort de traction 12 est avantageusement constitué d'une unique lame élastique fixée de loin en loin, par des agrafes adéquates quelconques 13, alternativement au cylindre C et à chaque piston élémentaire 2. il permet de dissocier la fonction "raideur" du coussin fluide de la géométrie des pistons élémentairesX La conception générale et le fonctionnement de l'ensemble ainsi réalisé apparattront clairement à l'homme de l'art, mais on pourra se reporter utilement à cet égard à la description du brevet français 73 20489 du 6 juin 1973 publié sous le No. 2 232 961. Le fluide sous pression utilisé dans le cadre de la présente invention peut Qtre liquide ou gazeux (par exemple de l'eau ou de l'air) et, dans le premier cas, il sera avantageusement récupéré après avoir rempli sa fonction de segmentation du piston P, puis recyclé éventuellement après filtrage. La figure 1 montre le circuit annexe dans le cas d'une segmentation hydrostatique utilisant une alimentation du coussin 1 en eau sous pression, cette eau après avoir rempli sa fonction de coussin se vaporisant aux températures élevées qui règnent dans le cylindre C. La partie de l'eau du coussin hydraulique 8 des figures 3 et 4 qui fuit par 10 vers la chambre de compression s'évacuera avec le gaz comprimé. Par contre, la partie de l'eau du coussin hydraulique qui fuit par 11 en direction opposée, sera récupérée et acheminée, par un conduit 14 (figure 1), vers un condenseur 15. Les incondensables étant évacués par 16, l'eau condensée s'accumule dans le bas du condenseur 15 formant réservoir d'eau 17. Une pompe de recyclage 18 renvoie cette eau au collecteur 4 du dispositif de segment fluide 1, par l'entremise d'un clapet anti-retour 19 et d'un filtre épurateur 20. On peut prévoir un accumulateur de démarrage 21 équipé d'une vanne de décharge 22. Il convient évidemment de fournir un apport d'eau pour compenser les pertes dues à la fuite 10 non récupérée. L'écoulement continu de l'eau dans le jeu fonctionnel entre le piston P et le cylindre C produit un effet de lavage permanent qui contrecarre le dépit éventuel de minéraux ou d'impuretés et permet d'envisager la compression de fluides sales chargés de particules solides. La variante de réalisation de la figure 2 correspond à un dispositif de segment fluide 1 de type pneumostatique alimenté par un prélèvement de gaz à haute pression directement sur la chambre de compression du cylindre C, par une soupape d'échappement spéciale 23. Le gaz ainsi prélevé passe par un échangeur thermique 24, un surpresseur 25, un clapet anti-retour 26 et un filtre 27, avant que la boucle ne se referme sur le canal d'alimentation 5 du collecteur 4. On peut prévoir un volume tampon 28 associé à un clapet anti-retour 29. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. Les segments à lubrification fluidostatique selon l'invention peuvent en particulier être appliqués : 10/ aux compresseurs de vapeur, en utilisant l'eau liquide sous pression comme fluide de lubrification, avec l'avantage qu'on peut ne faire appel qu'à un seul étage de compression pour produire de la vapeur surchauffée à dés températures nettement supérieures à 150 C pouvant être introduite sans problème dthygiène dans des procédés alimentaires de cuisson, de concentration ou de séchage des produits à la vapeur, ou plus généralement de recompression mécanique de vapeur ;; 20/ aux compresseurs oxygène, avec l'eau liquide comme fluide de lubrification, en remplacement des compresseurs à membrane actuellement utilisés (l'huile et le "Téflon" sont en effet incompatibles avec 1' oxygène par suite de combustion) ; 30/ aux compresseurs pour gaz chargés de poussière abrasive ou non, l'avantage du coussin de fluide sous pression utilisé pour la lubrification fluidostatique du segment étant d'empêcher toute insertion de poussière entre la chemise et lendit segment ; 40/- aux Vérins pneumatiques ou hydrauliques, avec comme avantage une réduction des frottements et une plus grande finesse de positionnement. Il est clair que les applications ci-dessus ne sont pas exhaustives et que les applications à la compression d'autres fluides font également partie de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de segmentation d'étanchéité. du jeu fonctionnel entre la surface externe du piston et la paroi du cylindre d'un compresseur à piston ou analogue permettant de se dispenser de tout segment frotteur en matériau solide monté autour du piston et lubrifié par une huile, caractérisé en ce mulon interpose dans ledit jeu fonctionnel un coussin de fluide sous pression (8), par exemple de l'eau, de l'air ou le fluide objet de la compression, ce coussin (8) maintenant par effet fluidostatique ledit piston (P) à 11 écart de la paroi dudit cylindre (C) et assurant l'étanchéité dudit Jeu fonctionnel vis-à-vis du fluide comprimé. 2. Procédé selon la revendication 1 faisant appel à un coussin d'eau à action hydrostatique, caractérisé en ce qu'on récupère partiellement les fuites dudit coussin (8) avec condensation et l'on recycle l'eau ainsi récupérée par pompage, avec filtrage éventuel, un apport d'eau venant compenser les fuites non récupérées. 3. Procédé selon la revendication 1 faisant appel à un coussin de gaz à action pneumostatique, caractérisé en ce quton prélève du gaz comprimé à haute pression sur le cylindre (C) du compresseur (D) et l'on recycle le gaz ainsi prélevé, après surpression et filtrage éventuel, pour l'alimentation dudit coussin (8). 4. Dispositif de segment fluide pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la surface externe du piston (P) est lisse et se déplace en regard d'une juxtaposition circulaire de segments. élémentaires (2) formant un anneau de buses mobiles logées avec guidage radial dans une gorge annulaire (3) creusée dans la paroi du cylindre (C) et prolongée par un collecteur (4) dans lequel débouchent un ou plusieurs canaux (5) d'alimentation en fluide sous pression. 5. Dispositif de segment fluide pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la paroi du cylindre (C) est lisse et se trouve en regard d'une juxtaposition circulaire de segments élémentaires (2) formant un anneau de buses mobiles logées avec guidage radial dans une gorge annulaire (3) creusée dans la surface externe du piston (P) et prolongée par un collecteur (4) dans lequel débouchent un ou plusieurs canaux (5) d'alimentation en fluide sous pression. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que chaque segment élémentaire (2) est étagé, présentant ungradin intermédiaire de sorte que son aire postérieure sur laquelle s'exerce la pression élevée de fluide d'alimentation du collecteur (4) est plus petite que son aire antérieure sur laquelle s'exerce la pression antagoniste du coussin (8). 7. Dispositif selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les segments élémentaires (2) formant buses mobiles radialement sont associés à un ressort de traction (12) agissant sur eux dans le même sens que la contre-pression du coussin (8) pour les solliciter à l'écart de la surface lisse en regard. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le ressort de traction (12) est constitué d'une unique lame élastique fixée de loin en loin, par des agrafes ou analogues (13), alternativement au cylindre (C) ou au piston (P) selon le cas et à chaque segment élémentaire (2). 9. Application du procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 du dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, soit aux compresseurs de vapeur d'eau, le fluide utilisé pour la lubrification fluidostatique du segment étant alors en particulier de l'eau, soit aux compresseurs dtoxygène, le fluide utilisé pour la lubrification fluidostatique étant alors en particulier de l'eau liquide sous pression, soit aux compresseurs de gaz chargés de poussières abrasives ou non, soit aux vérins hydrauliques ou pneumatiques.