Brevet FR2677081A1 — publié le 19921204

La présente invention a pour objet un dispositif mécanique pour pompes destinées à fournir -un débit d'un fluide sous haute et très haute pression, notamment d'un fluide incompressible tel que l'huile ou l'eau. L'industrie fait appel à bon nombre de pompes à haute et très haute pression, qui, selon leurs caractéristiques et selon l'utilisation envisagée, peuvent générer des pressions allant jusqu'à 2 000 bars et plus. Ces pompes sont fréquemment utilisées pour refouler des liquides, principalement de l'eau, en jets extrêmement fins et coupants, qui servent à nettoyer des autoclaves, échangeurs ou tuyauteries en conjugaison avec une lance ou une tête porte buses rotative, ou à découper des matières céramiques ou minérales, des métaux, des tissus ou d'autres matières, et ce avec ou sans charge abrasive introduite en amont ou en aval des lances ou des buses mises en oeuvre. Parmi les différents types de pompes existant à ce jour, les plus couramment mises en oeuvre sont les pompes à pistons ou à plongeurs, présentant une disposition soit radiale, soit en ligne desdits pistons ou plongeurs, incorporés dans des ensembles qui comportent souvent, pour assurer un débit régulier du fluide, au moins trois équipages pompants constitués chacun d'un plongeur ou d'un piston coulissant dans un cylindre. La disposition radiale des pistons ou des plongeurs nécessite, dans l'état actuel de la technique, des opérations d'usinage complexes, étant donnée la disposition, par exemple à 1200, des ensembles mécaniques et hydrauliques pour une pompe à trois plongeurs, dite "triplex". La disposition en ligne des pistons ou des plongeurs nécessite la mise en oeuvre d'un vilebrequin dont la rigidité n' est jamais parfaite, ainsi que, le plus souvent, d'une boîte à clapets disposée en ligne, complexe, lourde, encombrante, fragile et d'un entretien difficile. Ces différentes pompes existantes sont également assujetties à un important facteur de complication structurale, fonction de l'effort latéral exercé à travers le piston ou plongeur contre la paroi interne du cylindre, dit effet "de bielle", résultant du décalage qui se produit entre l'axe longitudinal de la bielle et l'axe du cylindre lorsque l'équipage dynamique composé du maneton du vilebrequin, de la bielle et du plongeur, accomplit la course de refoulement, avec une poussée exercée en porte-à-faux sur le piston ou plongeur qui peut souvent atteindre ou dépasser 104stNn fonction de la puissance de la pompe. Pendant la course de refoulement, l'effort de poussée latérale ainsi exercé contre la paroi du cylindre est important, et ces pompes, très sollicitées dans leur structure par les efforts mécaniques à la fois cycliques et harmoniques qui sont engendrés, sont nécessairement équipées d'un ensemble coulisseau et glissière de contre-réaction disposé entre le vilebrequin -et-Ie cyli-ndre, pour abso-rber ces efforts et éviter toute atteinte au libre coulissement du plongeur ou du piston dans ledit cylindre. La structure qui en résulte est complexe est onéreuse. Par ailleurs, l'articulation nécessaire au niveau du pied de la bielle, à l'endroit où elle évolue angulairement par rapport à l'ensemble plongeur-coulisseau-glissière, présente des inconvénients, tant au plan de sa tenue dans le temps qu'au plan de sa lubrification. La présente invention vise à remédier à ces divers inconvénients en proposant un dispositif mécanique pour pompe à haute et très haute pression, et à fort débit, d'un coût de fabrication très réduit et d'une grande fiabilité car ne nécessitant pas de dispositions compliquées ni d'usinages structuraux de haute précision. A cet effet le mécanisme pour pompe selon l'invention ne comprend pas d'ensemble coulisseau-glissière, en sorte que ses parties structurales sont sollicitées uniquement en traction et en compression, et ne comprend pas non plus d'articulation de pied de bielle, dans sa forme connue de pivot à axe et à paliers. La pompe objet de l'invention peut comporter un nombre variable d'équipages de pompage, deux pour une disposition à plat et au moins trois pour une disposition radiale, un équipage de pompage comprenant un cylindre fixé de manière étanche et résistante sur une boîte à clapets équipée de raccordements d'aspiration et de refoulement, et contenant des moyens anti-retour de transfert du fluide pompé, et dans lequel coulisse, dans un mouvement de va-et-vient, un plongeur, ou un piston. Conformément à l'invention, le plongeur ou piston prend appui sur une semelle palière en forme de segment de corps cylindrique, de portée angulaire variant selon le nombre d'équipages et portant en appui glissant sur le maneton excentré d'un arbre d'entrainement, ledit maneton étant excentré d'une distance correspondant à la moitié de la course du plongeur ou du piston, et lesdites semelles palières étant maintenues en contact avec le maneton au moyen de bagues de rétention les enserrant, montées sans jeu, mais cependant tolérancées pour permettre les légers mouvements cycliques de rapprochement et d'éloignement entre lesdites semelles palières. Conformément à l'invention, ces boîtes à clapets sont montées oscillantes autour d'axes parallèles à l'arbre d'entraînement, l'oscillement pouvant s'effectuer autour desdits axes selon le dispositif connu dit du couteau et du coussinet, utilisé dans la technique des parties oscillantes des balances et bascules, ou en mettant en oeuvre tout autre type d'appui permettant l'oscillation sans friction. A cet effet, une butée est disposée au contact d'une partie usinée à cette fin de chaque boîte à clapets, en un lieu diamétralement opposé au cylindre, ladite butée et la partie usinée de la boîte à clapets attenante étant maintenues en contact par des moyens de rétention tels que des bracelets élastiques, des ressorts ou des blocs en matière plastique. Toujours conformément à l'invention, l'ensemble des équipages de pompage est disposé entre deux flasques parallèles, maintenus en écartement par des entretoises, et traversés par l'arbre de transmission, emprisonnant ainsi les bagues de rétention maintenant les semelles palières sur le maneton, et emprisonnant également les botes à clapets. Ainsi, la rotation de l'arbre entraîne en rotation excentrée le maneton, animant cycliquement les équipages pompants, alternativement en aspiration puis en refoulement, le refoulement au niveau d'un équipage se faisant au passage de la partie excentrée du maneton repoussant la semelle palière qui repousse à son tour le piston ou le plongeur dans le cylindre, alors que dans le même temps les bagues de rétention, suivant le mouvement du maneton, entraînent les autres semelles palières qui, suivant leur nombre et leur position relative par rapport à celle refoulant, entrainent plus ou moins en retrait les pistons ou plongeurs qui leur sont assujettis, provoquant ainsi l'aspiration du fluide. Au cours de son temps de refoulement, chaque équipage pompant est soumis à une compression exercée entre d'une part le maneton évoluant en partie centrale de la pompe et d'autre part la butée située en partie périphérique de ladite pompe. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'axe commun du piston ou du plongeur et du cylindre reste constamment confondu avec la ligne droite qui relie le centre du maneton et l'axe de pivotement du système. tes boîtes à clapets sont ainsi soumises à un léger basculement pendant le fonctionnement de la pompe, ce qui interdit l'utilisation, pour l'aspiration et le refoulement, de tuyaux de raccordement rigides et nécessite d'employer des tuyaux souples armés, des tuyaux métalliques enroulés en forme de spires multiples ou d'autres types de tuyaux non rigides, ou encore des raccords oscillants sous réserve que l'axe du raccord de sortie se confonde avec l'axe de pivotement du système. Les avantages et les caractéristiques de la présente invention ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé lequel en représente un mode de réalisation non limitatif. Dans le dessin annexé - la figure 1 représente une vue en perspective et en éclaté d'une pompe selon l'invention, notamment dans une configuration en étoile avec trois équipages pompants. - la figure 2 représente une vue en coupe d'un équipage selon l'axe longitudinal dudit équipage et perpendiculairement à l'arbre de transmission. Si on se réfère à la figure 1 on peut voir que la pompe selon l'invention comporte un arbre à excentrique 1 traversant perpendiculairement deux flasques 2, 20 encadrant le dispositif de pompage, l'arbre 1 comportant dans la partie située entre les deux flasques 2, 20 un maneton excentré 10 sur lequel prennent appui des semelles palières 11 en forme de segment de corps cylindrique, à chacune desquelles est fixé un plongeur 13 pouvant coulisser de façon étanche dans un cylindre 14 raccordé à une boîte à clapets 15. Les semelles palières 11 peuvent être avantageusement garnies, à leur face en contact avec le maneton 10, d'un revêtement antifriction, et peuvent par ailleurs porter sur la cage extérieure d'un roulement à galets cylindriques ou coniques ou encore à aiguilles monté sur le maneton excentré. Un dispositif de lubrification sous pression ou par barbotage peut de plus être avantageusement mis en oeuvre à ce niveau et à celui des parties basses des pistons ou plongeurs. Dans le mode de réalisation représenté, chacune des boîtes à clapets 15 comporte, extérieurement et diamétralement opposée au cylindre, parallèlement à l'arbre 1, une rainure 16 formant un angle rentrant de par exemple 1000, dans laquelle s'inscrit l'angle 18, par exemple de 900, d'une butée 17 qui fait également office d'entretoise, maintenant l'écartement entre les deux flasques 2 et 20, la solidarisation des butéesentretoises aux flasques étant réalisée au moyen de vis 21 et d'écrous 22. La butée 17 peut avantageusement être réalisée en acier étiré et être de profil carré, c'est dans ce cas l'un quelconque de ses angles qui peut servir d'angle 18 de contact avec la rainure 16, après avoir été convenablement durci par traitement thermique, ou par tout apport de matière dure, et après avoir été légèrement arrondi pour éviter les inconvénients de fragilité inhérents à tout angle exagérément vif. De même l'angle rentrant de la rainure 16 est de préférence également arrondi de manière à présenter un faible rayon de courbure à son sommet. Les boîtes à clapets 15 sont raccordées en amont à des tuyaux 30 qui sont réunis au niveau d'un collecteur 3, et en aval à des tuyaux armés 31 qui sont réunis, sauf si les refoulements doivent être utilisés indépendamment dans une application particulière, à un collecteur, non représenté. Dans un autre mode de réalisation, les tuyaux d'aspiration et/ou de refoulement peuvent hêtre solidaires d'un raccord tournant ou oscillant dont la partie de raccordement est concentrique avec l'axe de pivotement de la boîte à clapets, permettant ainsi un système de refoulement à tuyauterie rigide. Pour éviter que les semelles palières 11 ne se séparent du maneton 10, lors de la phase d'aspiration, phase pendant laquelle le piston ou plongeur 13 exerce sur la semelle correspondante un effort de traction, lesdites semelles 11 sont usinées de manière à ce qu'une fois montées en position de travail leur développement externe ait la forme d'un corps cylindrique, au moins dans les zones circonférentielles situées entre ledit point de raccordement du plongeur et les flasques 2 et 20, ces parties cylindriques externes étant chacune entourée d'une bague de rétention 12 tolérancée de manière à interdire toute séparation entre les semelles palières 11 et le maneton 10, mais à permettre par ailleurs le léger mouvement cyclique de rapprochement et d'éloignement qui se produit entre lesdites semelles palières lors du cycle de pompage. L'arbre 1 est immobilisé, libre en rotation, sur les flasques 2 et 20 au moyen de roulements ou paliers 4, et il comporte au niveau d'un de ses prolongements, extérieurement aux flasques, une rainure à clavette 19, ou tout autre moyen de verrouillage en rotation pour recevoir une poulie ou un manchon ou tout autre dispositif permettant d'assurer son entraînement en rotation. Lors du fonctionnement du dispositif selon l'invention, lorsque le maneton 10 tourne, solidairement avec l'arbre 1, de façon excentrée, il entraîne de manière directe, dans un mouvement de va-et-vient et de léger basculement, les ensembles constitués par les semelles palières 11 et les plongeurs 13, ces derniers effectuant ainsi un parcours qui entraîne, par un effet de géométrie, un mouvement pendulaire limité pour les ensembles constitués par les équipages tant actifs, à savoir les plongeurs 13, que passifs, soit les cylindres 14 et les boîtes à clapets 15, pivotement qui s'effectue autour d'un axe matérialisé par la ligne de coopération entre les angles saillants 18, ou couteaux, des butées-entretoises 17 et les angles rentrants, ou coussinets, des rainures 16 pratiquées dans les boîtes à clapets 15, ou vice-versa. Dans ce dispositif, l'ensemble angle saillant, ou couteau, et angle rentrant, ou coussinet, assure la contreréaction des efforts de poussée exercés par les plongeurs 13, non seulement dans le sens axial, selon l'axe longitudinal des plongeurs 13 et des cylindres 14, mais aussi dans le sens de la composante latérale de l'effort provenant du désaxement de la poussée exercée par le maneton excentré 10 en relation avec le centre de l'arbre pendant la phase de refoulement. Si on se réfère à la figure 2 on peut voir les deux flasques 2 et 20, une butée-entretoise 17, une vis 21 et son écrou 22, une boîte à clapets 15, un cylindre 14, un plongeur 13, une semelle palière 11, les deux bagues de rétention 12, le maneton 10, l'arbre 1, les roulements 4 maintenus dans des boîtiers 41. De plus on peut voir que le plongeur 13 est fixé à la semelle palière au moyen d'une vis 131 et que la boîte à clapets 15 est reliée en amont à un tuyau 30 dont l'ouverture est de grand diamètre, et en aval à un tuyau 31 de diamètre plus faible. Un clapet 151 disposé en amont s'ouvre pendant la course d'aspiration du plongeur 13 et se referme lorsque commence la course de refoulement, sous l'effet d'un ressort 152. De même un clapet 153 disposé en aval se soulève sous l'effet de la pression qui résulte de l'avancement du plongeur 13 dans le cylindre 14, pour permettre le refoulement du fluide sous pression, puis se referme pendant la course d'aspiration du plongeur, sous l'effet d'un ressort 154, afin d'éviter tout retour du fluide en provenance du tuyau de refoulement 31. L'étanchéité entre le plongeur 13 et le cylindre 14 est réalisé au moyen de joints disposés dans la paroi du cylindre. Dans le cas où ce sont des pistons qui sont utilisés, ceux-ci sont munis dans des gorges pratiquées à cet effet de joints à lèvres ou de joints toriques. Il va de soi que la présente invention ne saurait être limitée à la description qui précède et qui est susceptible de subir un certain nombre de modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS i) Dispositif mécanique pour pompe à plongeurs ou à pistons, disposés radialement selon une structure géométrique dite à plat ou en étoile, principalement destiné aux applications à haute et très haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte un bâti constitué de deux flasques (2, 20) solidarisés parallèlement au moyen d'entretoises (17), et traversé perpendiculairement, en sa partie centrale, par un arbre à excentrique (1) comportant un maneton excentré (10) évoluant entre lesdits flasques (2, 20) et commandant des équipages pompants dont chacun est constitué d'une semelle palière (11) montée en appui glissant sur ledit maneton (10) et ayant la forme d'un segment de corps cylindrique, d'un plongeur ou d'un piston (13) assujetti à ladite semelle palière (11), d'un cylindre (14) dans lequel coulisse ledit plongeur ou piston (13), d'une boîte à clapets (15) fixée de manière étanche et résistante à l'extrémité du cylindre (14) et raccordée à des tuyaux d'admission (30) et de refoulement (31), ledit équipage étant susceptible d'osciller par rapport au bâti autour d'un axe à la fois perpendiculaire aux flasques (2, 20) et à l'axe de la course du plongeur ou piston (13). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillement d'un équipage pompant par rapport au bâti est réalisé en mettant en oeuvre la technique dite du couteau et du coussinet, en périphérie de la boîte à clapets (15),du côté diamétralement opposé au cylindre (14), au moyen d'une butée (17) comportant un angle saillant (18) et d'axe perpendiculaire aux flasques (2, 20), s inscrivant dans le fond d'une rainure (16) pratiquée en périphérie de la boîte à clapets (15). 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'angle saillant (18) est solidaire de la boîte à clapets (15), la rainure (16) étant pratiquée dans la butée (17). 4) Dispositif selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que les entretoises (17) maintenant l'écartement entre les deux flasques (2, 20) constituent aussi les butées des équipages pompants. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le couteau est formé par un angle saillant (18) légèrement arrondi, et le coussinet par un angle rentrant plus ouvert que celui du couteau, également légèrement arrondi. 6) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les semelles palières (11) montées sur le pied des pistons ou plongeurs (13) et portant sur le maneton (10) sont maintenues en contact sur ledit maneton au moyen de deux corps annulaire ou bagues (12) disposé de part et d'autre de la partie centrale desdites semelles (11), tolérancés de manière à interdire le décollement desdites semelles (11) par rapport audit maneton (10), tout en autorisant un mouvement relatif entre lesdites semelles (11). 7) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les boîtes à clapets (15) sont maintenues en contact avec leurs butées respectives par des moyens de rétention empêchant leur désolidarisation mais autorisant leur pivotement.