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Compresseur volumétrique rotatif.
La présente invention se rapporte aux compres- seurs volumétriques rotatifs à grande vitesse, et plus particulièrement aux compresseurs rotatifs comportant un rotor muni de pales et monté excentriquement dans un cylin- dre fixe ou stator,
Dans tous les types d'appareils connus, dans lesquels les Pales sont indépendantes et soumises à l'ac- tion de la force centrifuge, du fait de leur rotation avec le rotor, la puissance, absorbée par le frottement de l'ex- trémité,des pales contre la paroi fixe du stator, limite fortement les vitesses d'utilisation pratique ; l'usure des pales et l'échauffement des parois, résultant du frottement, atteignent à grande vitesse des valeurs très élevées.
Diverses solutions ont été proposées et réalisées @
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pour atténuer ces inconvénients et permettre l'élévation de la vitesse d'utilisation de ces compresseurs :
1 ) On a proposé un système à un ou plusieurs anneaux fous, bien lubrifiés, mobiles dans un ou des logements mé- nagés à cet effet dans le stator ; ces anneaux maintien- nent les pales indépendantes, de façon à supporter l'ef- fort centrifuge exercé sur elles et à les empêcher de frot- ter sur la paroi du stator.
Dans ce système, les pales n'étant pas en contact avec ia paroi du stator, l'étanchéi- té n'est pas assurée à leur extrémité ; et le rendement volumetrique de ces appareils est relativement limité ;
2 ) On a proposé un système avec pales indépendantes à talon, retenues dans des bagues folles de roulement ; la lubrification des talons est plus difficile à obtenir que dans le premier cas ; l'étanchéité à l'extrémité des pales n'est pas meilleure ; seul le déplacement relatif des talons des pales dans les bagues de retenue est plus fai- ble que dans le cas précédent, du fait de la réduction de ciamètre de ces bagues de retenue ;
30) On a proposé un système de compresseur, dans le- quel les pales sont reliées deux à. deux et retenues par un tourillon central, portant une bague ou un roulement à billes;
le résultat obtenu est le même que dans les deux cas précédents ; les pales ne portent pas sur la paroi du stator et l'étanchéité n'est pas assurée ; de plus, on éprouve, aux grandes allures de fonctionnement,les plus grandes difficultés pour la bonne conservation des roule- ments servant d'appui aux pales ;
4 ) On a proposé un système de compresseur, dans lequel un fourreau distributeur mobile, tournant avec le rotor et les pales, est interposé entre l'extrémité des pales et la paroi fixe du stator ; l'effort centrifuge exercé sur les pales est supporté par le fourreau mobile intermédiaire, mais ce dernier doit avoir un jeu suffisant
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pour ne pas frotter sur la paroi du stator, malgré sa dilatation pendant le fonctionnement ;
de ce fait, l'étanchéité n'est toujours pas assurée entre le fourreau , distributeur tournant et la paroi du stator;
5 ) Afin d'assurer l'étanchéité entre les pales et la paroi du stator, tout en limitant la valeur de l'effort d'application des pales contre cette paroi du stator, dû à la force centrifuge, on a proposé un type de compresseur à palettes pa,rtiellement équilibrées, en réunissant entre elles d'une manière rigide deux à deux les palettes opposées . On a pu, avec cette disposition , réaliser des compresseurs, à deux , quatre et six pales.
Avec cesystème, la valeur de l'effort d'application des pales contre la paroi du stator est ramenée à une valeur plus faible égale à la différence entre les deux forces centrifugea., agissant en sens opposé sur les deux pales réunies ; ces forces sont égales deux fois par 'Gour et par conséquent s'annulent, au moment où le centre de ravité des deux pales réunies se confond avec le centre de rotation du rotor.
La différence entre les deux forces centrifuges, agissant respectivement sur chacune des deux pales opposées, atteint sa valeur maximum, lorsque leur plan commun se confond avec la ligne droite passant par les deux centres respectifsdu stator et,du rotor.
Dans ce système, les pales sont encore appliquées avec une force trop élevée contre la; paroi du stator, d'où il résulte un frottement et une puissance absorbée encore élevés. Dans ce type d'appareil, l'une des pales, qui a une forme en H, est équilibrée, étant donné que son centre de gravité est situé au cantre géométrique de la surface développée; mais il n'en est Pas de même pour les autres pa- les , qui sont en forme de u et dont le centre de gravité est très éloigné du centre géométrique de leur surface, ce
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qui tend à les faire basculer suivant leur plan, deux fois par tour du rotor. ceci a pour effet de les projeter obliquement contre la paroi du stator ; il en résulte une surcharge des deux bords d'une même extrémité des deux pales réunies.
Le joint n'est par suite pas assuré ; le jeu ménagé entre la .pale et le stator se présente sous la forme d'un triangle très allongé, du fait que le bord de la pale n'est plus parallèle à la paroi du stator . cet effet est d'autant plus accentué que la vitesse de rotation est plus élevée.
En outre, dans tous les systèmes qui viennent d'être décrits, les faites, résultant dujeu nécessaire au glisse- Ment des pales dans leur logement ménagé dans le rotor, diminuent le rendement volumétrique de ces appareils.
La présente invention a pour but de remédier à ces in- convénients par une disposition et une construction particulière du stator, du rotor et des paies.
Conformément à la présente invention, la plus grande partie de la force centrifuge, provoquant l'application des pales contre la paroi du stator, est absorbée par une compression d'air, produite automatiquement par le mouvement des pales dans leurs logements du rotor, cette compression étant toutefois déterminée de manière à maintenir le contact des extrémités des pales avec la paroi du stator de façon à assurer l'étanchéité.
A cet effet, chacune des pales ne vient en contact avec les parois de son logement qu'aux extrémités extérieure et intérieure de celui-ci, formant glissières de guidage, et la pale est élargie en forme de piston dans sa partie d'extrémité intérieure, et des rainures, ménagées dans la partie correspondante des parois du logement de la pale constituent des lumières permettant l'admission d'air, à partir de la région axiale du rotor, dans ces logements, ainsi que la compression de cet air entre la partie d'extrémité intérieure
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élargie de la pale et la partie d'extrémité extérieure étranglée du logement, lors du mouvement de la pa.le vers l'extérieur.
Cette disposition améliore également le guidage des pales, tout en diminuant les surfaces de contact afin de diminuer la puissance absorbée par les frottements.
L'air, ainsi comprimé par la partie d'extrémité intérieure élargie des palettes, formant piston, est refoulé dans les cellules du compresseur, de préférence en passant par des rainures, creusées dans la paroi des logements des pales, à l'extrémité extérieure de ces logements. Cet apport d'air comprimé corrige et annule des pertes de charge, par suite de fuites d'air comprimé, des cellules de refoulement du compresseur dans le rotor en passant par les logements des pales; d'autre part, le débit d'air comprimé refoulé par les pales, s'ajoute au refoulement général du compresseur.
Cette disposition facilite et améliore également le graissage des surfaces des pales par la création, dans la région axiale du rotor,aune zone de dépression ; il suffit de faire arriver en cet endroit le lubrifiant, qui est alors aspiré et reparti sur toutes les surfaces des pales et de leurs logements..
On équilibre les pales en faisant coïncider autant que possible leur centre de gravité avec le centre géométrique des surfaces dév eloppées et en lestant en des endroits appropriés celles des pales qui ne possèdent pas cette coïncidence du centre de gravité et. du centre géométrique.
D'autre part, on donne aux différentes pales la même masse, en employant la même quantité de matière et de lest dans la construction de chacune des pales.
On peut, grâce à cette disposition, réaliser faci-
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lement le montage de huit pales, exactement équilibrées deux à deux ou d'un nombre plus grand de pales, ce qui permet d'améliorer le rendement général, en diminuant l'écart de pression d'une cellule àl'autre, et par suite la charge appliquant les pales sur leurs glissières de guidage dans leurs logements.
Le rotor, avec les logements pour les pales, est constitué par des éléments Gubulaires, de section transversala triangulaire, très légers et en un métal à grande résistance. Ceci produis la diminution de l'inertie du rotor lors des variations de vitesse pour l'utilisation de ce compresseur sur des moteurs rapides.
Des plateaux, tourillonnés dans les fonds du stator, comportent sur leur face intérieure des saillies ou nervures radiales, engagées entre ces éléments tubulaires, constituant le rotor, de façon à maintenir ces éléments convenablement en place et à les entraîner.
Ces éléments tabulaires sont assemblés par de longues vis tabulaires, vissées dans l'un des plateaux et montées dans l'autre plateau par une tête, de préférence de forme sphérique, de sorte que la légère flexion de ces vis, due à l'action de la force centrifuge pendant le mou- vement de rotation du rotor, produit un blocage des plateaux d'entraînement contre les éléments tubulaires du rotor et cela d'autant plus énergiquement que la vitesse du rotor est plus grande.
Les pales sont faites en des manières possédant une résistance mécanique suffisante, mais une densité extrêmement faible par exemple des alliages de magnésium, du celoron, de la bakélite, dont les qualités de frottement et la résistance mécanique sont suffisantes et dont la densité ne dépasse pas 1,7. Ceci permet d'abaisseur la valeur de l'effort centrifuge exercé sur les pales.
Pour les surfaces soumises au frottement, c'est à dire
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l'inférieur du stator, les parois au rotor et les sur- faces constituant les logements et les glissières de gui- dage des pales, on utilise des métaux à haute résista.nce , traités de façon à posséder une grande dureté superficielle.
Ceci permet d'abaisser le coefficient de frottement des pales sur ces surfaces.
Les dessins ci-joints représentent., mais à titre d'exemple seulement, une forme de réalisation de l'inven- tion dans son application à un compresseur rotatif à huit pales, équilibrées deux à deux .
La fig. 1 est une vue en coupe verticale transver- la sale du compresseur, suivant ligne 1-1 de la fig. 2.
La fig. 2 est une vue en coupe longitudinale, sui- vant la ligne brisée 2-2 de la fig. 1.
Les fig. 3, 3a, 3b, 3c représentent séparément les pales équilibrées, réunies deux à deux.
La fig. 4 représente, en une vue en perspective, les pales après montage, emboîtées l'une dans l'autre,
La fig. 5 est unevue en élévation de face d'un des plateaux d'assemblage et d'entraînement des éléments composant le rotor.
La fig. 6 est une vue en développement, de l'inté- rieur, d'un logement d'une pale.
La fig. 7 est une vue de détail, en coupe transver- sale, à échelle agrandie, d'une pale et de son logement ; et
La fi. 8 est une vue correspondant à la fig. 7, pour une autre position de lappale.
Le compresseur représenté comprend un corps, for- niant carter, a, muni d'ailettes de refroidissement ; ce carter est exécuté de préférence en un métal très bon con- ducteur de la chaleur, par exemple en un alliage d'alumi- nium ou de magnésium ; l'intérieur est usiné à un profil cylindrique .
Dans ce carter, est ajusté, de façon très
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exacte, pour obtenir un contact parfait, un fourreau mince, de position fixe, ai, à Grès haute résistance ; ce fourneau pré- une surface sente cylindrique et un alésage elliptique , se rapprochant étroitement de la courbe théorique décrite par les extré- mités des pales du rotor, de telle manière qu'il n'existe, entre ce fourreau et les pales, que le jeu Juste nécessai- re pour la dilatation des pales dans toutes les positions qu'elles peuvent prendre pendant une révolution complète.
Cette disposition est décrite dans la demande de brevet déposée en France @u même nom le 7 mai 1931, pour "Per- fectionnements aux compresseurs rotatifs à palettes". La surface intérieure du stator est traitéa de manière à présenter une très grande dureté superficielle, afin de diminuer le plas possible le coefficient de frottement de 1 extrémité des pales sur cette surface. Le fourreau al est maintenu et bloqué à l'aide des fonds b et bl de fermeture du compresseur et de vis et boulons b2, unifor- mément répartis sur la circonférence du fond b.
Sur le pour tour du fourreau, al sont ménagés, aux endroits conve- nables, les orifices d'admission a2 et de refoulement a3, débouchant respectivement dans la chambre d'admission et dans la chambre de refoalement du compresseur.
Le rotor est constitué par des éléments tubulaires profilés c, de section transversale triangulaire, en acier à haute résistance. Ces éléments sont assemblés par leurs extrémités, parfaitement dressées et rectifiées, à l'aide de deux plateaux en acier d, dl, qui sont emboités et serrés sur une partie, emboutie et très bien ajustée, cl, ménagée à chaque extrémité des éléments tubulaires. La section triangulaire de ces éléments c permet d'obtenir une construction très légère et très résistante du rotor.
L'assemblage des éléments c composant le rotor est obtenu à l'aide de grandes vis tubulaires e, vissées en el, dans le plateau d'entraînement d et dont la tête sphé-
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n=1 '" P':;' Ft 10 ée dans an proza, de profil correspondant,
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d2, du plateau dl. Ces vis tubulaires e sont soumises à l'action de la force centrifuge pendant la rotation du rotor ;;l'effort de traction, exercé par ces vis tubulai res sur les plateaux, résultant d'une légère flexion du corps de ces vis qui se trouve dans le vide, produit un blocage des plateaux d, dl contre les éléments emboîtés c, constituant le rotor, et ceci d'une façon d'autant plus énergique que la vitesse au rotor est elle-même plus élevée.
Des saillies ou nervures radiales d3, soigneusement usinées, sont réservées par fraisage sur la face interne des plateaux d et dl ; cesnervures d3 assurant la répartition précise des éléments triangulaires c autour de l'axe du rotor, ainsi qu'un parallélisme rigoureux des faces internes des parois adjacentes c2 dans chaque paire d'éléments juxtaposés (voir fig. 7 et 8).
Ses ner-vures radiales d3 servent en outre à entrainer les éléments tubulaires triangulaires c, entre lesquels elles sont engagées, de façon à produire le mouvement de rotation du rotor.
Le rotor est supporté par deux roulements à billes f, f1, maintenus dans les portées du carter a; l'un de ces roulements,f, est maintenu en double butée tant dans le carter a, que sur l'arbre g, afin de centrer longitudinalement le rotor c et d'éviter le frottement des plateaux d,dl sur les surfaces latérales des fonds b,bl. Des ba- gues de centrage h, munies d'un épaulement reposant contre les plateaux d.,dl, servent d'appui aux éléments c du rotor vers l'intérieur de celui-ci.
L'espace, compris entre les parois parallèles c2 de chaque paire d'éléments c juxtaposés, constitue un logement i pour une paie k (fig. 7 et 8) ; la partie d'extrémité extérieure de ce logement est étranglée, en il ; d'autre part, la partie d'extrémité intérieure
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de chaque pale k est élargie, en forme de piston de section rectangulaire, comme représenté en kl.
Les pales opposées sont reliées deux à deux par un ou deux bras, formant entretoises, k2 (fig. 3,3a,3b, 3c) ; dans le cas de deux bras, la masse de ces deux bras est égale à la masse du bras unique. Ces bras k2 sont établis de manière que le centre de gravité des pales coïncide aussi exactement que possible avec le centre géométrique de la surface développée des pales. C'est le cas pour les pales représentées sur les fig. 3 et 3a, qui comportent deux bras-entretoises k2, disposés symétriquement par rapport à l'axe géométrique transversal de la pale.
Pour les pales représentées sur les fig. 3b, et 3c, le centre de gravité est très légèrement désaxé, du fait que le bras unique k2 est légèrement déporté latéralement par rapport à l'axe géométrique transversal de l'ensemble des deux pales. Pour faire coïncider dans ces pales (fig. 3b et 3c) le centre de gravité et le centre géométrique des surfaces développées, on leste convenablement costales, par exemple par des rivets en plomb, k3, placés en des endroits convenables, du coté de l'axe géométrique transversal opposé au bras entretoise k2.
Ce même lest est appliqué suivant l'axe géométrique transversal des pales, sur les fig. 3 et 3a, de façon à obtenir des pièces en mouvement ayant des masses rigoureusement équivalentes, ce qui permet d'augmenter la précision de l'appareil en ce qui concerne la régularité du frottement de l'extrémité des pales sar la paroi du stator.
Les huit pales, réliées deux à deux, telles que représentées sur la fig. 3,3a, 3b,3c peuvent être emboitées à la main, pour former le groupe représenté sur la fi. 4 ; les distances comprises entre les divers bras-
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entretoises k2 sont établies de façqn à permettre le passage en diagonale de la deuxième pale (fig.3a) dans la première pale (fig. 3) et ensuice des pales (fig. 3b et 3c), l'une après l'autre, dans l'ensemble formé par les deux premières pales (fig. 3 et 3a).
Pour le montage de l'ensemble, tous leséléments c du rotor étant montés sur le plateau d' entraînement d, on glisse longitudinalement le groupe des pales, montées comme indiqué ci-dessus, dans les logements ménagées entre les éléments c du rotor. Un emboite ensuice le plateau dl et on bloque les deux plateaux d, dl contre les extrémités des éléments c, à l'aide des grandes vis tubulaires e.
Comme représenté sur les fig. 3 et 4, il est facile de se rendre compte que les parties d'extrémité intérieure élargies, kl, renforcent les pales k à l'endroit des brasentretoises k2, reliant deux à deux des pales opposées.
Ces.parties élargies kl des pales sont ajustées entre les faces internes des parois c2, parallèles deux à deux, des éléments c du rotor (fig. 7 et 8). Les pales ne viennent ainsi en contactavec les parois opposées de leur logement, de manière à être guidées, qu'aux extrémités intérieure et extérieure de celui-ci ; ceci permet de diminuer la valeur des surfaces en contact entre les éléments c du xotor et les pales k, tout en assurant un excellent guidage de ces dernières.
De petit@es rainures c3, creusées dans la face interne de la partie d'extrémité intérieure des parois c2 des éléments du rotor, constituent des lumières, qui font communiquer, lorsque la pale est complètement rentrée à l'intérieur de son logement (voir fig. 17) la grande chambre ainsi délimitée autour de chaque pale dans son logement entre les deux parois opposées c2,avec la région axiale 1 du compresseur entre les extrémités intérieures des éléments triangulaires c du rotor (voir fig. 1) ; cette
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région axiale 1 est en communication avec l'extérieur par les orifices m, ménagés à l'extrémité arrière du compresseur, à travers le plateau dl et la bague h (voir fig. 2).
De petites rainures obliques, calibrées, c4, sont ménagées dans la face interne de la partie d'extrémité extérieure des parois c2 des éléments c, qui délimite la par- tie étrangléé il des logements i des pales ; rainures sont destinées à permettre la communication entre l'intérieur des logements i des pales et les grandes chambres n de compression (voir fig.l).
La fig. 6 représente en développement les rainures c3 et c4, ménagées dans la face interne des parois c2 des éléments triangulaires . un tube de graissage o, passant suivant l'axe du rotor par les orifices m, à travers le plateau dl et la bague h , amène le lubrifiant tout près'de la partie in- térieure des Pales, dans la région axiale 1 du compresseur.
Le fonctionnement est le suivant :
Le rotor et les pales tournant dans le sens de la flèche (fig.1), de l'air est aspiré dans la chambre d'admission du compresseur par les orificesa2, est comprimé par la rotation des pales et la variation de volume des c ellules ou chambres n, et est refoulé par les orifices a3 du compresseur.
Le déplacement des pales dans leur logement i est commandé d'une façon positive par la paroi du stator.
Pendant ce déplacement des pales, la partie d'extrémité in- térieure élargie kl de chaque pale, formant piston, crée, par suite des variati@ns de volume produites dans la chambres, délimitée à l'intérieur du logement i de la pale par ce piston, tantôt une dépression, au moment du volume maximum, tantôt une compression, pendant la rédaction de ce voirie . Chaque fois que la pale considérée est revenue à fin de course vers l'inférieur, c'està dire vers l'axe du rotor, de l'air, à la pression'atmosphérique, pénètre
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de la zone axiale 1 au compresseur, par les lumières c3, à 1' intérieur du logement i de la pale.
Lorsque le sens de déplacement de la pale esL inversé, celle-ci s'éloignant de l'axe du rotor vers l'extérieur, le piston kl ferme dabord ces lumières c3, et comprime ensuite l'air ainsi admis, dans la chambre, dont le volume va en décroissant, formée par le piston dans le logement i de la pale ; cette compression dure jusqu'à, ce que la pale se trouve à fin de course vers l'extérieur.
La valeur de cette compression est limitée à l'a@ de d'une parie de charge, créée par les petites rainures obli- ques calibrées c4. La valeur de lacompression d'air effec- tuée, à fin de course du piston kl, dans la chambre de volume minimum ménagée dans le logement i de la pale, est réglée de façon à absorber presque en totalité, mais pas de façon complète, l'action de la force centrifuge agissant sur la masse de la pale, qui se trouve à la limite d'ex- centrage par rapport à l'axe de rotation du rotor , et cela au régime normal d'utilisation.
L'absorption de la presque totalité de la force centrifuge, exercée sur la pale, permet à celle-ci de res- ter en contact avec la paroi du stator, de façon à assurer l'étanchéité, mais avec une charge d'application contre cette paroi, limitée à une très faible valeur .
On voit donc que grâce à cette compression d'air convenablement calculée, par les pales k dans leur loge- ment au cours de leur déplacement vers l'extérieur, on peut, à l'aide des pertes de charge, réglées par la section des rainures calibrées c4, réduire à une valeur très fai - ble le frottement de l'extrémité des pales contre la paroi du stator. Ceci permet d'élever les régimes d'utilisation pratique du compresseur tout en obtenant un rendement mé- canique élevé,pour un compresseur à palettes.
Le réglage de l'absorption de la plus grande partie @
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de la force centrifuge, exercée sur la masse des pales, est obtenu, par la différence de section entre la partie principale k ou corps de la pale e. sa partie d'extrémité intérieure élargie kl, en combinaison avec le calibrage des rainures c4, qui délimite les pertes de charge, on leur largeur pour augmenter la valeur de ces pertes de charge afin de réaliser l'équilibrage désiré pour le révise d'utilisation normale choisi, il est à remar- que@r que le freinage ainsi obtenu varie dans le même sens que la force centrifuge, c'est à dire que la vi- tesse.
Le fonctionnement des pales étant extrêmement rapide dans le temps, il est facile d'obtenir en régime permanent, une pression de l'air, comprimé dans les petites chambres délimitées par le piston kl dans le logement i de chaque pale, toujours supérieure à celle existant dans les grandes cellules de refoulement n du compresseur. La compression dans ces petites chambres permetun écoulement d'air à travers les rainures calibrées c4 vers les cellules de refoulement, ce qui annule totalement les fuites dues au jeu des pales dans le rotor. En outre, les pertes de charge par les rainures calibrées c4 constituent un apport d'air supplé- mentaire dans les grandes cellules de refoulement du compresseur.
La zone de dépression créée dans la région axiale 1 du rotor permet le graissage centrifuge des pales à l'aide d'un brouillard d'huile pulvérisée, grâce à la vitesse d'écoulement de l'air autour du tube de graissage o, qui pourrait- d'ailleurs déboucher dans un dispositif de tubes Venturi , pour faciliter la pulvérisation de l'huile.
Le graissage des pales dans leurs glissières est
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effectué par la condensation du brouillard d'huile sur les surfaces. Les rainures obliques calibrées c4 permetcent également la répartition uniforme du lubrifiant sur toute-la longueur des Pales.
Ce mode de graissage assure une répartition parfaite du lubrifiant et permet de réduire considérablement le débit d'huile nécessaire au graissage du compresseur.
Le mode d'absorption de la force centrifuge, agis-
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sant sur la masse des pai.es, par un freinage Il1euma!joique tel que décrit ci-dessus, peut s'appliquer parfaitement à tout système de compresseur à pales indépendantes ; il suffit, sans rien changer à la nature de l'invention, de calculer et établir en conséquence la section des parties d'extrémité intérieure élargies en forme de piston k1 des pales et celle des rainures c4, déterminant les pertes de charge.
Le mode de montage des pales, tel que décrie cidessus, peut s'appliquer aux compresseurs à deux, quatre;, six et huit pales ; il est évident qu'il y a intérêt à employer le plus grand nombre possible de pales pour diminuer la différence entre les pressions régnant dans les cellules de refoulement voisines du compresseur. Le nontage à huit pales présente par suite, sur les appareils connus munis de deux , quatre ou six pales, l'avantage de diminuer les charges appliquant les pales sur les sur faces des glissières.
Le mode de construction du rotor, par éléments tubulaires indépendants qui permet d'obtenir une grande légèreté, une grande résistance, ainsi qu'un usinage parfait par rectification des surfaces des glissières, peut être appliqué à tout système de compresseur, qu'il soit muni de pales jumelées ou de pales indépendantes, et quel que soit le nnmbre de pales employées.
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L'équilibrage parfait des pales, consistant à faire coïncider le centre de gravité des pales avec le centre géométrique de la surface développée, ainsi que l'égalisation de leur masse, peuvent s'appliquer à tout système de compresseur.
Le mode de montage des éléments du rotor, avec baeues de centrage, avec frettage de ces éléments par une jante circulaire non découpée des plateaux d'assemblage, ainsi que la répartition uniforme et précise des éléments, tubulaires autour de l'axe du rotor et leur entraînement, par des saillies ou nervures radiales réservées par fraisage dans la masse mène des plateaux d'assemblage et d'en- urainement du rotor, peut s'appliquer à tout autre système de compresseur.
L'établissement d'une zone de dépression, dans la région axiale du rocor, permettant le graissage des pales par un brouillard d'nuile pulvérisée, en arnéliorant ainsi considérablement les conditions de graissage du compresseur par réduction de la quantité d'huile nécessaire, peut aussi s'appliquer à tout autre syscème de compresseur.
Dans l'uuilisation de ce compresseur, à des moteurs d'aviation, pour maintenir aux grandes altitudes une pression constante de l'air inspiré par les pales à partir de la région axiale du rotor, on peut raccorder à celle-ci un tube branche sur le refoulement du compresseur et dans lequel est intercalé un diaphragme détendeur assurant la pression désirée. Cette disposition est destinée à nain*ce- air l'équilibrage de l'action de la force centrifuge, réalisé par compression d'air par les pales dans leurs logements.
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Rotary positive displacement compressor.
The present invention relates to high speed rotary positive displacement compressors, and more particularly to rotary compressors comprising a rotor fitted with blades and mounted eccentrically in a fixed cylinder or stator,
In all the known types of apparatus, in which the blades are independent and subjected to the action of centrifugal force, due to their rotation with the rotor, the power, absorbed by the friction of the end , blades against the fixed wall of the stator, severely limits the speeds of practical use; the wear of the blades and the heating of the walls, resulting from friction, reach very high values at high speed.
Various solutions have been proposed and implemented @
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to mitigate these drawbacks and allow the speed of use of these compressors to be increased:
1) A system has been proposed with one or more idle rings, well lubricated, movable in one or more housings provided for this purpose in the stator; these rings keep the blades independent, so as to withstand the centrifugal force exerted on them and to prevent them from rubbing against the wall of the stator.
In this system, since the blades are not in contact with the wall of the stator, sealing is not ensured at their end; and the volumetric efficiency of these devices is relatively limited;
2) A system has been proposed with independent heel blades, retained in idle bearing rings; lubrication of the heels is more difficult to obtain than in the first case; the tightness at the end of the blades is not better; only the relative displacement of the blades of the blades in the retaining rings is smaller than in the previous case, due to the reduction in diameter of these retaining rings;
30) A compressor system has been proposed, in which the blades are connected in pairs. two and retained by a central journal, carrying a ring or a ball bearing;
the result obtained is the same as in the two preceding cases; the blades do not bear on the wall of the stator and the seal is not ensured; in addition, at high operating speeds, the greatest difficulties are experienced for the good conservation of the bearings serving as support for the blades;
4) A compressor system has been proposed, in which a movable distributor sleeve, rotating with the rotor and the blades, is interposed between the end of the blades and the fixed wall of the stator; the centrifugal force exerted on the blades is supported by the intermediate mobile sleeve, but the latter must have sufficient play
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so as not to rub against the wall of the stator, despite its expansion during operation;
therefore, sealing is still not ensured between the sleeve, rotating distributor and the wall of the stator;
5) In order to ensure the seal between the blades and the wall of the stator, while limiting the value of the force of application of the blades against this wall of the stator, due to the centrifugal force, a type of compressor with pa rtially balanced vane, by joining together in a rigid way two by two the opposite vane. With this arrangement, it was possible to produce compressors with two, four and six blades.
With cesystème, the value of the force of application of the blades against the wall of the stator is reduced to a lower value equal to the difference between the two centrifugal forces., Acting in opposite directions on the two combined blades; these forces are equal twice by 'Gour and consequently cancel each other out, at the moment when the center of force of the two united blades merges with the center of rotation of the rotor.
The difference between the two centrifugal forces, acting respectively on each of the two opposite blades, reaches its maximum value, when their common plane merges with the straight line passing through the two respective centers of the stator and of the rotor.
In this system, the blades are still applied with too much force against the; wall of the stator, which results in still high friction and absorbed power. In this type of device, one of the blades, which has an H-shape, is balanced, given that its center of gravity is located at the geometric creel of the developed surface; but it is not the same for the other pales, which are u-shaped and whose center of gravity is very far from the geometric center of their surface, this
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which tends to make them tilt according to their plane, twice per revolution of the rotor. this has the effect of projecting them obliquely against the wall of the stator; this results in an overloading of the two edges of the same end of the two combined blades.
The seal is therefore not insured; the clearance between the blade and the stator is in the form of a very elongated triangle, because the edge of the blade is no longer parallel to the wall of the stator. this effect is all the more accentuated the higher the speed of rotation.
In addition, in all the systems which have just been described, the changes resulting from the clearance required for the blades to slide in their housing provided in the rotor, reduce the volumetric efficiency of these devices.
The object of the present invention is to remedy these drawbacks by a particular arrangement and construction of the stator, the rotor and the payrolls.
According to the present invention, the greater part of the centrifugal force, causing the application of the blades against the wall of the stator, is absorbed by an air compression, produced automatically by the movement of the blades in their housings of the rotor, this compression being however determined so as to maintain contact of the ends of the blades with the wall of the stator so as to ensure the seal.
To this end, each of the blades only comes into contact with the walls of its housing at the outer and inner ends thereof, forming guide slides, and the blade is widened in the form of a piston in its inner end part. , and grooves, formed in the corresponding part of the walls of the housing of the blade constitute openings allowing the admission of air, from the axial region of the rotor, into these housings, as well as the compression of this air between the inner end part
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widened blade and the constricted outer end portion of the housing, during the movement of the pa.le outward.
This arrangement also improves the guiding of the blades, while reducing the contact surfaces in order to reduce the power absorbed by friction.
The air, thus compressed by the enlarged inner end part of the vanes, forming a piston, is forced back into the compressor cells, preferably by passing through grooves, hollowed out in the wall of the housing of the blades, at the outer end. of these accommodations. This supply of compressed air corrects and cancels out pressure losses, as a result of compressed air leaks, from the compressor discharge cells in the rotor passing through the housing of the blades; on the other hand, the flow of compressed air delivered by the blades is added to the general discharge of the compressor.
This arrangement also facilitates and improves the lubrication of the surfaces of the blades by creating, in the axial region of the rotor, a vacuum zone; it suffices to bring the lubricant to this place, which is then sucked up and distributed over all the surfaces of the blades and their housings.
The blades are balanced by making their center of gravity coincide as much as possible with the geometric center of the developed surfaces and by ballasting in appropriate places those of the blades which do not have this coincidence of the center of gravity and. from the geometric center.
On the other hand, we give the different blades the same mass, using the same amount of material and ballast in the construction of each of the blades.
Thanks to this arrangement, we can easily realize
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The assembly of eight blades, exactly balanced two by two or a greater number of blades, which improves the general efficiency, reducing the pressure difference from one cell to another, and consequently the load applying the blades to their guide slides in their housings.
The rotor, with the housings for the blades, is made up of Gubular elements, of triangular cross section, very light and in a high resistance metal. This produces the decrease in rotor inertia during speed variations for the use of this compressor on fast engines.
Plates, journalled in the bases of the stator, have on their inner face radial projections or ribs, engaged between these tubular elements, constituting the rotor, so as to hold these elements suitably in place and to drive them.
These tabular elements are assembled by long tabular screws, screwed into one of the plates and mounted in the other plate by a head, preferably spherical in shape, so that the slight bending of these screws, due to the action centrifugal force during the rotational movement of the rotor, produces a locking of the drive plates against the tubular elements of the rotor and this all the more forcefully as the speed of the rotor is greater.
The blades are made in ways having sufficient mechanical strength, but extremely low density, for example magnesium alloys, celoron, bakelite, the friction qualities and mechanical strength of which are sufficient and the density of which does not exceed 1.7. This allows the value of the centrifugal force exerted on the blades to be lowered.
For surfaces subject to friction, i.e.
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the lower part of the stator, the walls of the rotor and the surfaces constituting the housings and the guide slides of the blades, high-resistance metals are used, treated so as to have a great surface hardness.
This makes it possible to lower the coefficient of friction of the blades on these surfaces.
The accompanying drawings show, but by way of example only, one embodiment of the invention in its application to a rotary compressor with eight blades, balanced two by two.
Fig. 1 is a transverse vertical sectional view of the compressor, taken along line 1-1 of FIG. 2.
Fig. 2 is a longitudinal sectional view, taken along the broken line 2-2 of FIG. 1.
Figs. 3, 3a, 3b, 3c separately represent the balanced blades, joined together two by two.
Fig. 4 shows, in a perspective view, the blades after assembly, nested one inside the other,
Fig. 5 is a front elevational view of one of the plates for assembling and driving the elements making up the rotor.
Fig. 6 is a developing view, from the inside, of a housing of a blade.
Fig. 7 is a detail view, in cross section, on an enlarged scale, of a blade and its housing; and
The fi. 8 is a view corresponding to FIG. 7, for another position of the label.
The compressor shown comprises a body, forming a housing, a, provided with cooling fins; this casing is preferably made from a metal which is a very good conductor of heat, for example from an aluminum or magnesium alloy; the interior is machined to a cylindrical profile.
In this housing, is adjusted, in a very
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exact, to obtain a perfect contact, a thin sheath, of fixed position, ai, with high resistance sandstone; this furnace has a cylindrical surface and an elliptical bore, closely approximating the theoretical curve described by the ends of the rotor blades, in such a way that there is, between this sleeve and the blades, only the Clearance Just necessary for the expansion of the blades to all the positions they can take during a full revolution.
This arrangement is described in the patent application filed in France with the same name on May 7, 1931, for "Improvements to rotary vane compressors". The inner surface of the stator is treated so as to have a very high surface hardness, in order to reduce as much as possible the coefficient of friction of 1 end of the blades on this surface. The sleeve a1 is held and locked using the compressor closing bottoms b and bl and screws and bolts b2, evenly distributed over the circumference of the base b.
On the circumference of the sleeve, a1, the intake a2 and discharge a3 ports are provided at suitable locations, opening respectively into the intake chamber and into the cooling chamber of the compressor.
The rotor consists of c-shaped tubular elements, of triangular cross section, made of high strength steel. These elements are assembled by their ends, perfectly straightened and rectified, using two steel plates d, dl, which are nested and clamped on a part, stamped and very well adjusted, cl, provided at each end of the tubular elements . The triangular section of these c elements results in a very light and very strong construction of the rotor.
The elements c composing the rotor are assembled using large tubular screws e, screwed at el, in the drive plate d and whose spherical head
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n = 1 '"P' :; ' Ft 10 ée in an proza, of corresponding profile,
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d2, of the plate dl. These tubular screws e are subjected to the action of centrifugal force during the rotation of the rotor ;; the tensile force exerted by these tubular screws on the plates, resulting from a slight bending of the body of these screws which is found in a vacuum, produces a blocking of the plates d, dl against the nested elements c, constituting the rotor, and this in a manner all the more energetically as the rotor speed is itself higher.
Carefully machined radial projections or ribs d3 are reserved by milling on the internal face of the plates d and dl; these ribs d3 ensuring the precise distribution of the triangular elements c around the axis of the rotor, as well as a rigorous parallelism of the internal faces of the adjacent walls c2 in each pair of juxtaposed elements (see fig. 7 and 8).
Its radial ribs d3 further serve to drive the triangular tubular elements c, between which they are engaged, so as to produce the rotational movement of the rotor.
The rotor is supported by two ball bearings f, f1, held in the bearing surfaces of the housing a; one of these bearings, f, is held in double abutment both in the housing a and on the shaft g, in order to center the rotor c longitudinally and to avoid the friction of the plates d, dl on the side surfaces of the fund b, bl. Centering rings h, provided with a shoulder resting against the plates d., Dl, serve as a support for the elements c of the rotor towards the inside of the latter.
The space, included between the parallel walls c2 of each pair of juxtaposed elements c, constitutes a housing i for a pay k (fig. 7 and 8); the outer end part of this housing is constricted, in it; on the other hand, the inner end part
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of each blade k is enlarged, in the form of a piston of rectangular section, as shown in kl.
The opposite blades are connected in pairs by one or two arms, forming spacers, k2 (fig. 3,3a, 3b, 3c); in the case of two arms, the mass of these two arms is equal to the mass of the single arm. These arms k2 are established so that the center of gravity of the blades coincides as exactly as possible with the geometric center of the developed surface of the blades. This is the case for the blades shown in FIGS. 3 and 3a, which comprise two spacer arms k2, arranged symmetrically with respect to the transverse geometric axis of the blade.
For the blades shown in fig. 3b, and 3c, the center of gravity is very slightly offset, because the single arm k2 is slightly offset laterally with respect to the transverse geometric axis of the assembly of the two blades. To make the center of gravity and the geometrical center of the developed surfaces coincide in these blades (fig. 3b and 3c), the costales are suitably ballasted, for example by lead rivets, k3, placed in suitable places, on the side of the 'transverse geometric axis opposite to the spacer arm k2.
This same ballast is applied along the transverse geometric axis of the blades, in FIGS. 3 and 3a, so as to obtain moving parts having rigorously equivalent masses, which makes it possible to increase the precision of the apparatus with regard to the regularity of the friction of the end of the blades sar the wall of the stator.
The eight blades, connected in pairs, as shown in fig. 3,3a, 3b, 3c can be nested by hand, to form the group shown on the fi. 4; the distances between the various arms
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spacers k2 are established so as to allow the diagonal passage of the second blade (fig.3a) in the first blade (fig. 3) and ensuice of the blades (fig. 3b and 3c), one after the other, generally formed by the first two blades (fig. 3 and 3a).
For the assembly of the assembly, all the elements c of the rotor being mounted on the drive plate d, the group of blades, mounted as indicated above, is slid longitudinally in the housings formed between the elements c of the rotor. A ensuice the plate dl and one blocks the two plates d, dl against the ends of the elements c, using the large tubular screws e.
As shown in Figs. 3 and 4, it is easy to see that the widened inner end parts, kl, reinforce the blades k at the location of the struts k2, connecting two by two of the opposite blades.
Ces.parties widened kl of the blades are fitted between the internal faces of the walls c2, parallel in pairs, of the elements c of the rotor (Figs. 7 and 8). The blades thus come into contact with the opposite walls of their housing, so as to be guided, only at the inner and outer ends thereof; this makes it possible to reduce the value of the surfaces in contact between the elements c of the xotor and the blades k, while ensuring excellent guidance of the latter.
Small grooves c3, hollowed out in the internal face of the inner end part of the walls c2 of the elements of the rotor, constitute openings, which communicate, when the blade is completely retracted inside its housing (see fig. 17) the large chamber thus delimited around each blade in its housing between the two opposite walls c2, with the axial region 1 of the compressor between the inner ends of the triangular elements c of the rotor (see fig. 1); this
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axial region 1 is in communication with the outside through the orifices m, made at the rear end of the compressor, through the plate dl and the ring h (see fig. 2).
Small oblique, calibrated grooves, c4, are formed in the internal face of the outer end part of the walls c2 of the elements c, which delimits the constricted part il of the housings i of the blades; grooves are intended to allow communication between the interior of the housing i of the blades and the large compression chambers n (see fig.l).
Fig. 6 shows the development of the grooves c3 and c4, formed in the internal face of the walls c2 of the triangular elements. a lubricating tube o, passing along the axis of the rotor through the orifices m, through the plate dl and the ring h, brings the lubricant very close to the inner part of the blades, in the axial region 1 of the compressor .
The operation is as follows:
With the rotor and the blades rotating in the direction of the arrow (fig. 1), air is drawn into the compressor inlet chamber through the orifices a2, is compressed by the rotation of the blades and the variation in volume of the c cells or chambers n, and is discharged through the orifices a3 of the compressor.
The movement of the blades in their housing i is positively controlled by the wall of the stator.
During this movement of the blades, the widened inner end part kl of each blade, forming a piston, creates, as a result of volume variations produced in the chamber, delimited inside the housing i of the blade by this piston, sometimes a depression, at the time of maximum volume, sometimes a compression, during the drafting of this road system. Each time the blade considered has returned to the lower end of its travel, i.e. towards the axis of the rotor, air, at atmospheric pressure, penetrates
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from the axial zone 1 to the compressor, through the openings c3, inside the housing i of the blade.
When the direction of movement of the blade esL reversed, the latter moving away from the axis of the rotor outwards, the piston kl first closes these slots c3, and then compresses the air thus admitted into the chamber, whose volume is decreasing, formed by the piston in the housing i of the blade; this compression lasts until the blade is at the end of its travel towards the outside.
The value of this compression is limited to the amount of a part of load, created by the small oblique grooves calibrated c4. The value of the air compression effected, at the end of the stroke of the piston kl, in the chamber of minimum volume provided in the housing i of the blade, is adjusted so as to absorb almost all, but not completely, the action of the centrifugal force acting on the mass of the blade, which is located at the limit of offset with respect to the axis of rotation of the rotor, and this at normal operating speed.
The absorption of almost all of the centrifugal force exerted on the blade allows the latter to remain in contact with the wall of the stator, so as to ensure the seal, but with an application load against. this wall, limited to a very low value.
It can therefore be seen that thanks to this suitably calculated air compression, by the blades k in their housing during their outward movement, it is possible, using the pressure drops, to be adjusted by the section of the calibrated grooves c4, reduce the friction of the end of the blades against the wall of the stator to a very low value. This makes it possible to increase the speeds of practical use of the compressor while obtaining a high mechanical efficiency, for a vane compressor.
The adjustment of the absorption of the greater part @
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of the centrifugal force, exerted on the mass of the blades, is obtained by the difference in section between the main part k or body of the blade e. its widened inner end part kl, in combination with the calibration of the grooves c4, which delimits the pressure drops, their width to increase the value of these pressure drops in order to achieve the desired balancing for the revision of use normal chosen, it should be noted that @ r the braking thus obtained varies in the same direction as the centrifugal force, ie the speed.
The operation of the blades being extremely fast over time, it is easy to obtain, in steady state, a pressure of the air, compressed in the small chambers delimited by the piston kl in the housing i of each blade, always greater than that existing in the large discharge cells n of the compressor. The compression in these small chambers allows air to flow through the calibrated grooves c4 towards the discharge cells, which completely eliminates the leaks due to the clearance of the blades in the rotor. In addition, the pressure drops through the calibrated grooves c4 constitute an additional supply of air in the large discharge cells of the compressor.
The vacuum zone created in the axial region 1 of the rotor allows centrifugal lubrication of the blades with the aid of a sprayed oil mist, thanks to the speed of air flow around the lubrication tube o, which could moreover lead into a device of Venturi tubes, to facilitate the spraying of the oil.
The lubrication of the blades in their slides is
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effected by condensation of oil mist on surfaces. The c4 calibrated oblique grooves also allow uniform distribution of the lubricant along the entire length of the blades.
This lubrication mode ensures perfect distribution of the lubricant and considerably reduces the oil flow required for lubricating the compressor.
The mode of absorption of centrifugal force, acting
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sant on the mass of the pai.es, by Il1euma! joique braking as described above, can be applied perfectly to any compressor system with independent blades; it suffices, without changing the nature of the invention, to calculate and establish accordingly the section of the widened piston-shaped inner end parts k1 of the blades and that of the grooves c4, determining the pressure drops.
The method of mounting the blades, as described above, can be applied to compressors with two, four, six and eight blades; it is obvious that there is an advantage in using the greatest possible number of blades to reduce the difference between the pressures prevailing in the delivery cells adjacent to the compressor. The eight-blade nontage therefore has, on known devices provided with two, four or six blades, the advantage of reducing the loads applying the blades to the surfaces of the slides.
The method of construction of the rotor, by independent tubular elements which makes it possible to obtain a great lightness, a great resistance, as well as a perfect machining by grinding the surfaces of the slides, can be applied to any compressor system, whether fitted with twin blades or independent blades, and regardless of the number of blades used.
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The perfect balancing of the blades, consisting in making the center of gravity of the blades coincide with the geometric center of the developed surface, as well as the equalization of their mass, can be applied to any compressor system.
The method of mounting the elements of the rotor, with centering bars, with shrinking of these elements by an uncut circular rim of the assembly plates, as well as the uniform and precise distribution of the elements, tubular around the axis of the rotor and their drive, by radial projections or ribs reserved by milling in the mass leads to the rotor assembly and drive plates, can be applied to any other compressor system.
The establishment of a vacuum zone, in the axial region of the rocor, allowing the lubrication of the blades by a mist of sprayed oil, thus considerably improving the lubricating conditions of the compressor by reducing the quantity of oil required, can also be applied to any other compressor system.
In the use of this compressor, in aircraft engines, to maintain at high altitudes a constant pressure of the air inspired by the blades from the axial region of the rotor, a branch tube can be connected thereto. on the compressor discharge and in which is interposed a pressure reducing diaphragm ensuring the desired pressure. This arrangement is intended to dwarf * ce- air balancing the action of centrifugal force, achieved by air compression by the blades in their housings.