Brevet FR2609310A1 — publié le 19880708

PROFILS DE ROTORS, DU TYPE A VIS, POUR MACHINES TOURNANTES VEHICULANT UN FLUIDE GAZEUX La présente invention concerne les machines tournantes comprenant un stator dans tequel sont logés deux rotors, respectivement mâle et femelle, entraînés en rotations inverses, de façon commandée ou non. L'objet de l'invention concerne le domaine technique des machines du type ci-dessus dont les rotors possèdent des dents hélicoîdales complémentaires engendrant, par leur coopération, des alvéoles à volume variable, établissant, par leur développement selon une direction parallèle à l'axe de rotation des rotors, une circulation d'un fluide gazeux entre un orifice d'admission ou d'aspiration et un orifice de refoulement. L'objet de l'invention concerne les machines du type ci-dessus fonctionnant en tant que compresseur ou pompe à vide. Dans les machines du type ci-dessus, la rotation des rotors dans leurs alésages, lorsqu'elle est produite par la rotation commandée d'un rotor entraînant celle de l'autre, s'effectue avec interposition d'un liquide, généralement de l'huile, assurant l'étanchéité entre les dents des rotors et les alésages du stator, la lubrification entre le rotor et le stator et le refroidissement du fluide gazeux comprimé. Les rotors, du type à vis, actuellement connus, possèdent des sommets de dents se raccordant tangentiellement aux alésages respectifs. Dans une telle construction, la présence du liquide, d'étanchéité, de lubrification et de refroidissement, entraîne une perte de puissance importante, due au phénomène de coincement des molécules liquides entre le sommet des dents des rotors mâle et femelle et les alésages du stator les contenant. Ce phénomène de coincement engendre des pressions importantes imposant des efforts radiaux nuisibles aux rotors et aux paliers les supportant. Ces efforts radiaux sont amplifiés par la centrifugation du liquide se concentrant, d'une part, vers le sommet des dents par la rotation élevée des rotors et, d'autre part, par l'écoulement de ce liquide, du plan de refoulement en direction du plan d'aspiration, en raison de la différence de pression entre ces deux plans. Il doit être considéré qu'un phénomène analogue se produit aussi dans le cas o les rotors sont entraînés en rotations commandées synchronisées par des engrenages. Dans un tel cas, aucun fluide de lubrification n'est prévu. On constate, cependant, pour os05 chaque sommet de dents, la formation d'un coin d'air à haute pression responsable d'un échauffement et d'une perte de rendement. L'objet de l'invention est de proposer des nouveaux profils de rotors mâle et femelle, visant à diminuer, à la fois, l'importance et l'étendue du phénomène de coincement des molécules, soit du liquide d'étanchéité, de lubrification et de refroidissement du fluide gazeux, soit encore de ce dernier. Pour atteindre le but ci-dessus, l'invention propose des profils de taillage, caractérisés en ce qu'ils font intervenir, au moins pour les dents du rotor mâle, un sommet: - décaLé d'un angle dans le sens de rotation, - un chanfrein d'angle ouvert dans le sens de rotation et défini entre, d'une part, une tangente au sommet, perpendiculaire à une droite joignant ledit sommet au centre de rotation du rotor mâle et, d'autre part, une droite tangente au sommet et perpendiculaire à une droite joignant ledit sommet au centre instantané de rotation. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une coupe transversale d'une machine tournante conforme à l'invention. La fig. 2 est une coupe-éLévation axiale, prise sensiblement selon la ligne II-II de la fig. 1. La fig. 3 est une coupe transversale montrant, à plus grande échelle, la réatisation des profils selon l'invention. Les fig. 4 à 10 sont des vues schématiques, analogues à la fig. 1, illustrant différentes phases caractéristiques de fonctionnement de l'objet de l'invention. Les fig. 11 et 12 sont des coupes transversales montrant deux variantes de réalisation de l'un des moyens de l'invention. Les fig. 1 et 2 montrent une machine tournante 1 comprenant un corps ou stator 2 délimitant deux alésages 3 et 4 qui sont d'axes parallèles et sécants. Le stator 2 est fermé latéralement par deux flasques 5 et 6 définissant, respectivement, un orifice d'aspiration 7 communiquant avec un vestibule 8 en relation avec la partie supérieure des alésages 3 et 4, et un orifice de refoulement 9 communiquant avec une chambre de refoulement 10 en relation avec la partie basse des alésages 3 et 4. Les chambres 7 et 9 ont leurs ouvertures situées de part et d'autre d'un plan P passant par les axes des rotors. Les flasques 5 et 6 possèdent, bien que cela ne soit pas représenté, des paliers pour le support de deux rotors, respectivement mâle 11 et femelle 12, logés dans les alésages 3 et 4. L'un des rotors, par exemple le rotor 11, est qualifié de menant, en raison de son entraînement en rotation dans le sens de la flèche f1 par un organe moteur non représenté. Le rotor femelle 12 est qualifié de mené, en raison du fait que sa rotation, selon f2' est provoquée par celle du rotor 11. D'une façon connue, les rotors 11 et 12 sont pourvus de dents hélicoldales complémentaires 13 et 14 s'engrenant successivement, lors des rotations dans le sens des flèches f1 et f2, dans l'intersection des alésages 3 et 4. D'une façon connue, les dents 13 et 14 sont définies en section droite transversale, perpendiculaire à l'axe de rotation, par des profils comprenant, pour chacune des dents, plusieurs segments de courbes se raccordant successivement en étant déterminés de manière que, lors de l'engrènement de deux dents complémentaires dans l'intersection des alésages 3 et 4, les rotations, selon les flèches f1 et f2 fassent naître, dans le plan transversal d'aspiration, une alvéole A à volume progressivement décroissant et qui, en raison de la forme hélicoidale des dents, évolue en déplacement axial du plan transversal d'aspiration en direction du plan transversal opposé correspondant au flasque de refoulement 6. Un tel principe de fonctionnement, dû à la géométrie des dents, n'est pas l'objet de l'invention et n'est pas décrit plus précisément dans ce qui suit, étant entendu que la connaissance de ce principe et celle des moyens pour sa mise en oeuvre sont accessibles pour tout homme de l'art, à partir de nombreuses publications disponibles. Ainsi que cela est rappelé précédemment, la rotation des rotors 11 et 12 produit l'établissement d'un film de liquide d'étanchéité, de lubrification et de refroidissement, sur toute la surface interne des alésages 3 et 4. Pour supprimer le phénomène de coincement des molécules de ce film ou, encore, de celles du fluide gazeux véhiculé, entre les alésages et les sommets des dents 13 et 14, l'invention propose de conférer au moins aux dents 13 un profil en section droite transversale, comme décrit ci-après. La fig. 3 montre que chaque dent 13 du rotor 11 est réalisée pour comporter un sommet SM décalé dans le sens de rotation d'une valeur angulaire WM comprise entre, d'une part, une droite DM joignant le centre de rotation CM du rotor mâle 11 au sommet SM et, d'autre part, la droite D1M joignant le centre CM au centre CF du rotor femelle 12. L'angle 5M peut être compris entre 0 et 30 et présente, de préférence, une valeur égale à 7 . Le sommet SM est raccordé au segment de profil aval selon le sens de rotation f1 par un chanfrein 13a matérialisé par une droite dM tangente au sommet SM et perpendiculaire à une droite D2M joignant le sommet SM au centre instantané de rotation CI. La droite dM fait un angle aM avec la tangente TM passant par le sommet SM et perpendiculaire à la droite DM. L'angle "M peut être compris entre 0 et 36 et sa valeur détermine, par construction, celle de l'angle 6M, l'entraxe et les diamètres des alésages 3 et 4 étant donnés. La fig. 3 montre, également, que chaque dent 14 du rotor femelle peut aussi être conçue pour présenter, en section droite transversale, un profil tel qu'à partir du sommet SF se présente un chanfrein 14a, incliné dans le sens de rotation f2' Le chanfrein 26093 1 0 14a est réaLisé de manière que La droite dF le matérialisant fasse un angle "CF avec La tangente TF passant par le sommet SF et perpendiculaire à la droite DF joignant Le sommet au centre de rotation CF du rotor femelle 12. L'angle OtF, ouvert dans le sens de rotation f2, peut être compris entre 0 et 90 et possède, de préférence, une valeur comprise entre 10 et 30 . L'examen de la fig. 3 permet de constater que les chanfreins 13a et 14a, s'ouvrant selon les angles qM et cF, sont responsables de la définition par rapport aux surfaces périphériques des alésages 3 et 4, de volumes en forme de coin. Ces chanfreins agissent, lors de la rotation dans les sens des flèches f1 et f2, pour refouler le liquide d'étanchéité, de lubrification et de refroidissement ou, encore, le gaz véhiculé, sans le soumettre à un effet de Laminage et de coincement, comme cela se produit lorsque les sommets SM et SF sont raccordés de façon tangentielle. Une conformation des profils, comme dit ci-dessus, permet: - une diminution des frottements au sommet des dents, étant donné que le liquide d'étanchéité, de lubrification et de refroidissement n'est plus emprisonné entre les sommets des dents des rotors et les alésages du stator, - une réduction des fuites de refoulement du liquide ou du gaz comprimé vers l'aspiration, étant donné que ce liquide ou ce gaz est repoussé par les chanfreins, au lieu d'être absorbé ou avalé par la forme progressive des profils de raccordement tangentiel, - une diminution des zones soumises au frottement, en raison de la réduction de la masse de liquide entraînée en retour vers l'aspiration, - une amélioration du rendement mécanique et du rendement thermique par réduction simultanée des sources d'échauffement parasites dues aux frottements et aux fuites de liquide et de gaz (ou de gaz seul), ceci réduisant, d'ailleurs, la quantité de chaleur devant être évacuée par le fluide réfrigérant. - Dans le cas de réalisation des dents 13 selon la fig. 3, la forme qui leur est conférée modifie le dessin de la chambre de refoulement 10 coïncidant avec le lieu des points de contact des rotors mâle et femelle dans le plan transversal correspondant. Pour assurer une vidange totale de l'alvéole A à volume variable, il est avantageux, comme illustré par la fig. 3, de ménager sur la face transversale du rotor mâle 11, correspondant au plan de la chambre de refoulement 10 et pour chacune des dents 13, une communication entre le segment de profil précédant le chanfrein 13a dans le sens de rotation du rotor et une zone voisine du centre instantané de rotation CI. Une telle communication peut être formée par un chambrage ménagé dans la face transversale ou, encore, par un conduit pratiqué en retrait de cette face, à partir du profil de dent, pour déboucher dans cette dernière par un trou de communication. La communication 20 permet, comme cela ressort de l'examen des fig. 4 à 10, de maintenir en communication l'alvéole de refoulement A délimitée entre deux dents en coopération et la - chambre de refoulement 10, pendant toute la fin du refoulement. L'objet de l'invention est décrit en relation avec des rotors possédant des dents de profil asymétrique. Il doit être considéré que les dispositions de l'invention peuvent être mises en oeuvre pour des profils symétriques. Les différents avantages procurés par l'objet de l'invention se retrouvent intégralement dans le cas de construction o les rotors sont entraînés tous les deux en rotations commandées synchronisées par deux pignons extérieurs aux alésages des rotors mâle et femelle et, respectivement, rendus solidaires d'un rotor. Dans un tel cas, la présence du liquide d'étanchéité, de lubrification et de refroidissement n'est pas nécessaire et l'avantage procuré alors par la disposition selon l'invention est la diminution des fuites du fluide gazeux entre la phase de refoulement et le plan d'admission et la réduction de l'échauffement d'un tel fluide. La fig. 11 montre une variante de réalisation selon laquelle les sommets SF des dents 14 du rotor femelle 12 sont situés au-delà du diamètre primitif DP dudit rotor. Dans un tel cas, Le sommet SF de chaque dent est décalé, dans le sens de rotation f2, d'une valeur angulaire 6F positive. Le sommet SF comporte, également, comme dit précédemment, un chanfrein 14a qui est matérialisé par une droite dF passant par le sommet SF et perpendiculaire à une droite D2F joignant le sommet SF au centre instantané de rotation CI. La droite dF fait, avec la tangente TF au sommet SF, perpendiculaire à une droite DF joignant le sommet SF au centre CF, un angle "F. La fig. 12 montre une autre variante correspondant à une réalisation selon laquelle chaque sommet SF est situé en-deçà du diamètre primitif DP. Dans un tel cas, l'angle SF est négatif par rapport au sens de rotation. Dans les deux exemples selon les fig. 11 et 12, gM est fonction, à la fois, de la différence positive ou négative entre le rayon du sommet de dent et le rayon primitif de la dent 14 et de l'angle "F qui peut être compris entre 0 et 90 et possède, de préférence, une valeur comprise entre 10 et 30 . Si le rayon du sommet de dent est égal au rayon primitif, 5F est nul, quel que soit OCF, comme cela est le cas de la fig. 3. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. 2609 3 1 0 REVENDICATIONS: 1 - Profils de rotors du type à vis pour machine tournante véhiculant un fluide gazeux, machine du type comprenant un corps (2) délimitant deux alésages cylindriques (3 et 4), d'axes parallèles et sécants, et deux rotors (11 et 12) du type à vis, mâle et femelle respectivement, disposés dans les alésages et comportant des dents hélicoidales (13 et 14) complémentaires engrenant entre elles successivement, lors de la rotation en sens inverse des rotors, à travers l'intersection des alésages, de manière à délimiter, à partir d'un plan transversal d'aspiration, une alvéole (A) à volume variable évoluant axialement en direction d'un second plan transversal de refoulement, caractérisés en ce qu'ils font intervenir, au moins pour les dents (13) du rotor mâle (11), un sommet (SM): - décalé d'un angle (M) dans le sens de rotation (f1), - un chanfrein (13a) d'angle ("M) ouvert dans le sens de rotation et défini entre, d'une part, une tangente (TM) au sommet (SM), perpendiculaire à une droite (DM) joignant ledit sommet au centre de rotation (CM) du rotor mâle (11) et, d'autre part, une droite (dlM) tangente au sommet (SM) et perpendiculaire à une droite (D2M) joignant ledit sommet au centre instantané de rotation (CI). 2 - Profil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle (CM) est compris entre 0 et 36 . 3 - Profil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle (M) est défini par la droite (DM) joignant le centre de rotation (CM) du rotor (11) au sommet (SM) et par une droite (D1M) joignant le centre (CM) au centre de rotation (CF) du rotor femelle (12). 4 - Profil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il fait intervenir, en outre, pour chacun des sommets (SF), des dents (14) du rotor femelle (12), un chanfrein (14a) d'angle (mF) compris entre 0 et 900 ouvert dans le sens de rotation. - Profil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les sommets (SF) se situent sur le diamètre primitif (DP) et en ce que chaque chanfrein (14a) est matérialisé par une droite (dF) faisant l'angle ("F) avec une tangente (TF) passant par le sommet (SF) et perpendiculaire à une droite (DF) joignant le sommet (SF) au centre de rotation (CF) du rotor femelle. 6 - Profil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les sommets (SF) sont situés au-delà du diamètre primitif (DP) et sont décalés d'un angle (IF) positif dans le sens de rotation (f2). 7 - Profil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les sommets (SF) sont situés en-deçà du diamètre primitif (DP) et sont décalés d'un angle (OF) négatif par rapport au sens de rotation (f2). 8 - Profil selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le segment qui suit le chanfrein de sommet de chaque dent du rotor mâle, dans le sens de rotation de ce dernier, est en relation par une communication (20) avec la face transversale de ce rotor correspondant au plan de l'orifice de refoulement.