Brevet FR2633337A1 — publié le 19891229

La présente invention concerne une machine tournante à fluide constituée par un stator supportant à rotation un arbre portant Lifl rotor calé sur cet arbre. On connaît à ce jour de telles machines qui peuvent fonctionner en tant que moteurs on compresseurs. notamment pour la suralimentation de moteurs thermiques. Dans ces machines un fluide s'écoule à l'intérieur depuis un orifice d'entrée jusqu Lin orifice de sortie en se détendant (moteur) ou se comprimant (compresseur) Les machines de suralimentation de moteurs thermiques appartiennent à deux familles à savoir les compresseurs à piston ou du type "ROOTS" et les turbocompresseurs.Les compresseurs à piston présentent l'avantage de fournir un couple et un surcroit de puissance à tous les réqimes auxquels ils sont sollicités Tls sont par contre en général encombrants et coûteux en énergie perdue par frottement pour assurer 1 étanchéité. Par ailleurs les turbocompresseurs présentent. eux. l'avantage d'être peu coûteux en énergie. car ils utilisent l'énergie résiduelle de gaz d échappement provenant d'un moteur thermique Par contre ils ont des inconvénients à savoir le surcroît de puissance et de couple arrive avec un effet de retard, la partie chaude de la turbine est sophistiquée et de ce fait chère et l'implantation du système est toujours compliquée. Afin de pallier les inconvénients signalés on propose. par la présente invention une machine du tpe mentionné qui est caractérisée en ce que le stator et le rotor sont constitués respectivement par une série de discutes statoriques et une série de disques rotoriques coaxiaux percés de trous centraux circulaires pour le passage de l'arbre les disques statoriques et les disques rotoriques étant imbriqués alternativement entre eux. chacun des disques statoriques et rotoriques est pourvu d'au moins deux ouvertures décalées angulairement sur les différents disques de telle façon que le stator d'une part et le rotor d'autre part présentent chacun au moins deux chambres hélicoïdales opposuées formées par les ouvert@res successives des disques ces chambres étant al lonnées dans le sens de 1 axe lonqitu- dinal de la machine et enroulées autour de'cet axe et les chambres hélicoïdales du stator et celles du rotor ont le même pas. mais s'enroulent en sens inverse. La machine ainsi proposée allie les avantaqes des deux types de machines ci-dessus mentionnées. sans en présenter les inconvénients. Elle est d'un faible encombrement. elle est peu gourmande en énergie. les frottements étant presque inexistants. elle a un couple et une puissance importan a bas régime une réponse immédiate à la montée en régime, et une seule pièce en mouvement. d'où une simplicité de construction et un bas prix de revient. On décrira ci-après. à titre d'exemple non limitatif une forme d'exécution de la présente invention. en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue en perspective. schématique. montrant. dans la partie supérieure. la moitié d'un des disques composant le stator. et dans la partie inférieure. la moitié d'un des disques composant le rotor de la machine de l invention. La figure 2 est une vue en perspective schématique du rotor de la machine tournante. La fi@ure 3 est une vue en coupe lonqitudinale sui- vant l'axe de la machine suivant l'invention Les figures 4A.48.4C.4D sont des schémas illustrant le fonctionnement de la machine. La machine selon l'invention est une machine tournante à fluide fonctionnant sous la même configuration aussi bien en tant que moteur thermique qu'en compresseur rotatif. Petite machine est constituée essentiellement d'un stator 1 supportant à rotation un arbre 2 portant un rotor 3 calé sur cet arbre. Le stator 1 et le rotor 3 sont constitués respectivement par deux stries de disques coaxiaux h savoir une se rie de disques 4 pour le stator 1 et une série de disques 5 pour le rotor 3, les disques statoriques 4 ayant un diamètre supérieur à celui des disques rotoriques 5. es disques 4.5 sont percés respectivement de trapus centraux cir cul aires 4a Sa permuttant 1 passage de 1 arbre 2 et d une clavette 7 de fixation en rotation des disques rotoriques 5 sur l'arbre 2.Les disques rotor i ques 5 sont maintenus b distance les uns des autres par une série d'entretoises intercalaires 8 constituées par des bagues entourant 1 arbre 2. Ces bagues formant entretoises 8 sont logées dans les trous centraux 4a des disques statoriques 4 qui, à cet effet. ont un diamètre plus grand que celui des bagues entre-toises 8 et par conséquent que le diamètre des trous centraux Sa des disques rotoriques 5 qui est égal à celui de l'arbre 2. En bout d'arbre du côté de l'entrée du fluide 9 dans la machine. 1 arbre est maintenu par une cale de régla- ge 10 du rotor. en appui sur une contre-plaque 11 pour roulement combiné 12 fixée à l'aide d'une bague 13.Du côté de l'entrée du fluide 9 dans la machine l'ensemble est fermé par un flasque statorique 14. Du côté de la sortie du fluide 15 de la machine, l'arbre 2 est également soutenu par un ensemble à roulement combiné 12. comme du côté opposé. sur lequel vient en appui une cale de roulement 16 et un ressort 17 pour rendre l'ensemble plus souple. 9 cet endroit l'ensemble décrit est également fermé par un flasque statorique 18. Le stator de cette machine. ainsi que mentionné. est constitué par la série de disques statorinnes 4 maintenus à distance les uns des autres par une série d'entretoises statoriques 19. Du côté de la sortie du fluide 15 de la machine la série alternée de d i sgt' es st a t o r i que s 4 e t d'entretoises annulaires statoriques 19 est terminée par une cale de réglage 20 et le flasque statorinne 18 respectif. tandis que du côté de l'entrée du fluide 9 dans la machine cette série alternée se termine par l'autre flasque statorique 14. Tout cet ensemble du stator 1 est assemblé h l'aide de tirants de fixation 21. constitués par des tiges dont les parties extrêmes sont filetées pour porter des écrous d'assemblage 22. Ces tiges passent à travers des trous 23 dans les disques statoriques 4 et les entretoises annulaires 19 du stator 1. L'assemblage de la machine est fait de sorte qu'en service. les disques rotoriques 5 et statoriques 4 alternent et se trouvent imbriqués les uns dans les autres La présence des entretoises rotoriques 8 et statoriques 19 permet la mise en place réciproque et alternative de ces disques avec un très faible jeu. tel que par exemple de 0.05mm et éqalement entre disques et entretoises. TI en résulte une étant chéité très poussée entre les disques fixes 4 et rotatifs 5 réalisée suivant le principe du joint à labyrinthe. Chacun des disques statoriques 4 et rotoriques 5 est percé respectivement de deux ouvertures diamétralement opposées et de préférence éqales à savoir deux ouvertures 24 dans chaque disque statorique 4 et deux @uvertures 25 dans chaque disque rotorique 5. Chacune des ouvertures 24.25 a la forme d'un segment d'anneau, elle est symétrique par un rapport à un axe radial 26. et elle est délimitée par deux bords radiaux 27.28. par un bord périphérique aroué 27 et par un fond en arc de cercle 30. centré sur l'axe du rotor. Les deux ouvertures 24 ou 25 d'un meme disque sont symétriques par rapport an centre du disque. pour des raisons de symétrie et d'équilibrage des efforts. Chacun des disques 5 constituant le rotor 3 est pourvu dans sa partie centrale. du trou circulaire axial 5a pour le passage de l'arbre 1 et d'une encoche 32 débouchant dans ce trou. pour le passage de la clavette 7. Chacun des disques 4 constituant le stator 1 est pourvu. dans sa partie centrale. du trou 4a pour le passage de l'arbre 2 et la mise en place. avec un très faible jeu. de l'entretoise rotorique 8. Les risques 5 constituant le rotor 3 forment entre eux une série dont les ouvertures 25 ont une larqeur. le long du fond 30. qui va pro@ressivement en croissant à partir d'une dimension minimale a (fi@ure 2) a l'endroit d'une ouverture 25a du disque situé à une extrémité de la série. jusqu'une dimension maximale b à l'endroit de l'ouverture 25b du disque situé à l'pxtrssmité apposée. tl en est de même en ce qui concerna les ouvertures 24 ménagées dans les disques statoriques 4. la croissance de la largeur du fond des ouvertures 24. ayant lien dans le même sens. Par ailleurs les emplacements des encoches 32. par rapport aux ouvertures 25. pour le passage de la clavette 7 à travers les disques rotoriques 5 et des trous 23. par rapport aux ouvertures 24. pour le passage des tirants 21 à travers les disques statoriques 4 sont tels que les ouver- tures 25 des disques rotoriques 5 d'une part et les onver- tures 24 des disques statoriques 4 d'autre part sont placées. lorsque la machine est assemblée à l'état de service. en face les unes des autres. mais décalées successivement angulairement autour de l'axe de sorte que les points de rencontre 34 des axes radiaux 26 des ouvertures 24.25 avec les fonds 30 d'une série d'ouvertures 24 ou 25 décrivent une hélice 38 ayant pour axe l'axe longitudinal de la machine. Ou fait de cette disposition. les ouvertures successives 24.25 du stator 1 et du rotor 3 constituent des chambres hélicoïdales respectives A et R dont la section droite transversale diminue progressivement à partir de l'une des extrémités de la machine vers l'autre extrémité de celle-ci. par exemple de l'entrée de fluide 9 vers la sortie de fluide 15 dans le cas d'un compresseur. Selon la forme d'exécution figurée sur le dessin. le stator 1 d'une part et le rot or 3 d'autre part présentent chacun deux chambres hélicoïdales. diamétralement opposées par rapport a' l'axe longitudinal de la machine et allongées dans le sens de cet axe. Il est également possible que chaque disque 4.5 soit percé d'un nombre quelconque d'ouver- tures 24.25. uniformément réparties autour de l'axe longitu- dinal. Le stator 1 et le rotor 3 de la machine ont alors chacun un mène nombre de chambres hélicoïdales uniformément réparties autour de l'axe longitudinal.Les chambres hélicoïdales @ du stator 1 et R du rotor 3 ont le me me pas. mais les chambres hélicoïdales A. formées par les ouvertures 24 du stentor 1 d'une part et les chambres hélicoïdales R. for mées par les ouvertures 25 du rotor 3 d autre part. s enroulent en sens inverse. c'est-à-di@e l'une dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre en sens inverse du précédent. Ces chambres hélicoïdales A et B sont représentées sous une forme développée schématique sur les figuras 4A-4D. Dans ces vues développées les chambres hélicoïdales A et B sont orientées dans des directions différentes. du fait de leurs sens d'enroulement opposés. Les chambres hélicoïdales 9 du stator 1 sont de la sorte imbriquées avec les chambres hélicoïdales B du rotor 1. Toutefois, lorsque les premiers disques 5 du rotor 3 se trouvent placés en regard des premiers disques 4 du stator 1 de telle façon que les ouver- tures 25 des disques rotoriques 5 font face. an moins partiellement. à celles 24 des disques statoriques 4. en laissant de la sorte un passage libre au fluide pour lui permettre de s'écouler dans le sens de l'axe longitudinal. les derniers disques 5 du rotor 3 ne présentent pas leurs onver- tures 25 devant les ouvertures respectives 24 des disques statoriques 4.La chambre hélicoïdale afférente est alors ouverte vers 1 entrée de fluide 9. mais elle est fermée du côté de la sortie de fluide 15. comme il apparaît sur la figure 4A. Au fur et à mesure que le rotor 3 tourne. (déplacement vers la droite sur les fi@ures 4A-4D) des o@ver- tures 25 successives des disques rotoriques 5 viennent se placer en regard d'ouvertures 24 des disques statoriques 4. en ouvrant pronressivement le passage du fluide vers I'extrémité de sortie 15 du fluide. mais en fermant à l'arrière le passage du fluide vers l'entrée 9. Lorsqu'il s'agit d'une machine travaillant en compresseur. les ouvertures 24.25 les plus larges sont placées du côté de l'entrée de fluide 9. Sur le parcours du fluide dans le sens de l'axe lonqitudinal de la machine. des ouvertures 24.25 de plus en plus étroites s'offrent à l'écoulement du fluide. d'où la compression du fluide que la machine fournit du côté de sa sortie 15. Par contre. pour une machine qui travaille en moteur. la détente du fluide codant de l'énergie demande une entrée par les ouvertures 24.25 les plus étroites et une sortie par les ouvertres 24.25 les plus larges. On observera égal-ement que la machina suivant l'invention ne comporte pas une culasse extérieure indépendante pour enfermer l'ensemble constitué par le stator 1 et l'arbre 2 associé au rotor 3. Les disques statoriques 4 avec leurs entretoises statoriques 19. associés aux deux flasques statoriques 14 et 18. à l'aide des tirants 21. constituent dans leur ensemble la culasse extérieure de -la machine. REVENDICATIgNS 1.- Machine tournante à fluide constituée par un stator (1) supportant à rotation un arbre (2) portant un rotor (3) calé sur cet arbre. dans laquelle un fluide s'écoule à l'intérieur depuis une entrée (9) jusqu à une sortie (15). caractérisée en ce que le stator (1) et le rotor (3) sont constitués respectivement par une série de disques statoriques (4) et une série de disques rotoriques (5) coaxiaux percés de trous centraux circulaires (4a.5a) pour le passage de 1 arbre (2). les disques statoriques (4) et les disques rotoriques (5) étant imbriqués alternative ment entre aux. chacun des disques statoriques (4) et roto risquas (5) est pourvu d'au moins deux ouvertures (24.25) décalées angulairement sur les différents disques de telle façon que le stator (1) d'une part et le rotor (3) d autre part présentent chacun au moins deux chambres hélicoïdales (A. n) formées par les ouvertures successives (24 25) des disques (4.5). ces chambres étant allanaées dans le sens de l'axe longitudinal de la machine et enroulées autour de cet axe. et les chambres hélicoïdales (a) du stator (1) et celles (n) du rotor (3) ont le meme pas mais s@enroulent en sens inverse. 2. Machine suivant la revendication 1 caractérisée en ce que chaque ouverture (24.25) d un disque (4.5) est symétrique par rapport à un axe radial elle est délimitée par deux bords radiaux (27.28) un bord périphérique arqué (29) et un fond (30) dont la larqeur va progressivement en croissant depuis 1 une des extrémités du stator (1) d une part et du rotor (3) d'autre part jusqu'à 1 extrémité oppo sée le point de rencontre (34) des axes radiaux des ouver- tures (24.25) avec les fonds (30) de la série d'ouvertures (24.25) des disques statori@ues (4) d une part et rotoriques (5) d autre part d rivant une hélice ayant pour axe I axe longitudinal de la machine. 3. Machine suivant l'une quelconque des revendica tions précédentes caractérisée en ce que chaque chambre hélicoïdale (@.B) a une section droite transversal@ allant en se réduisant a partir de 1 une des extrémités de la machine vers l'extrémité opposée le fluide s@écoulant depuis 1 extrémité où cette section est la plus grande vers celle où cette section est la plus petite lorsque la machine est appelée à travailler en compresseur et en sens inverse lorsqe la machine est appelée à travailler en moteur. 4. Machine suivant l'une quelcanqe des revendications précédentes caractérisée en ce que les ouvertures (24.25) des disques (4.5) c est-à-dire les chambres héli coïdales (A) du stator (1) et celles (B) du rotor (3) sont uniformément réparties autour de 1 axe longitudinal de la machine. 5. Machine suivant 1 une quelconque des revendica tions précédentes caractérisée en ce que les disques statoriques (4) d une part et les disques rotoriques (5) d'autre part sont maintenus à distance les uns des autres afin de permettre à ces disques d'etre imbriqués les uns dans les autres, respectivement par interposition d'entretoises sta toriques (19) et d'entretoises rotoriques (9) avec un très faible jeu entre les disques (4.5) et entre les disques et les entretoises afin de présenter une étanchéité réalisée selon le principe du joint à labyrinthe. 6.- Machine suivant l'une quelconque des revandica tions précédentes caractérisée en ce que les disques statoriques (4) avec leurs entretoises statoriques (19) sont fixés à deux flasques statoriques (14.18) situés des deux cotés extrêmes d entrée (9) et de sortie (15) du fluide. à 1 aide de tirants (21). pour constituer dans I eur ensemble une culasse extérieure pour la machine.