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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX ECHANGEURS DE PRESSIONSo
La présente invention est relative à des échangeurs de pressions c'est-à-dire des machines rotatives qui compriment un fluide gazeux en se servant de la détente, dans la même machine, d'un autre fluide gazeux ou d'une autre quantité du même fluide, la compression et la détente ayant lieu dans au moins un groupe circulaire de cellules entre lequel et une autre par- tie- de la machine il existe un mouvement de rotation relatif;
. le remplacement du gaz dans les cellules se faisant au cours des balayages à basse et à hau- te- pression, et le- gaz détendu dans-une cellule étant remplacé, par l'effet du- balayage- à basse pression, par du gaz à comprimer-alors que, par l'effet du balayage à haute pression, du gaz comprimé dans une ou plusieurs cellules est remplacé par du gaz à détendre.
Dans un échangeur de pressions typique, les cellules sont dispo- sées de manière à former un rotor dans lequel du gaz est introduit ou préle- vé par un distributeur non-rotatif. On a également proposé,pour certains genres d'échangeurs- de pressions, de se servir de-deux groupes annulaires de cellules entre lesquels se produit une rotation relative, ou d'avoir re- cours à un groupe annulaire fixe de cellules en combinaison avec des distri- buteurs rotatifs pour les gaz.
Des exemples d'échangeurs de pressions connus sont décrits entre autres dans les brevets Grande-Bretagne nos 290.669, 427.957 et 553.208 et c'est à des échangeurs de ce genre que s'applique l'invention.
L'invention concerne, plus particulièrement, des échangeurs de pressions dans lesquels les cellules font partie d'un ou de plusieurs ro- tors et pour lesquels il est nécessaire que le gaz soit introduit ou évacué axialement par au moins une extrémité d'un rotor de ce genre, de sorte que les cellules elles-mêmes sont laissées ouvertes tout au moins à cette extré- mité, la fermeture et l'ouverture des extrémités ouvertes des cellules se faisant à des intervalles appropriés pour permettre l'évacuation des gaz par un plateau terminal (ou analogue} convenablement ajouré et non rotatif, lequel plateau peut faire partie d'une- enveloppe ou d'un stator qui entoure
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le ou les rotors.
Pour réduire au minimum les fuites de gaz, il est essen- tiel que l'intervalle entre le plateau terminal et la face adjacente du rotor soit aussi réduit que possible, ce qui crée des difficultés à cause de la dilatation thermique du rotor.
L'invention a pour but, surtout, de rendre ces échangeurs tels que l'intervalle susdit puisse être petit (et reste sensiblement constant) tout en permettant,, en même temps, la dilatation thermique du rotor dans le sens axial ou les déplacements axiaux de ce rotor.
L'invention concerne, plus spécialement, un échangeur de pressions pour la détente d'un fluide gazeux à pression élevée, en même temps que se fait la compression d'un fluide gazeux, dont la pression est moindre, avec au moins un groupe circulaire ou annulaire de- cellules et au moins un orga- ne ou plateau terminal pour la distribution des fluides-,cet organe ou pla- teau étant établi à proximité- d'une face terminale du groupe annulaire de cellules afin que l'on puisse obtenir un remplacement du fluide-,, dans le sens axial des cellules, au cours du mouvement angulaire relatif entre- le plateau terminal et le groupe annulaire de cellules;
et elle consiste, principale- ment, à constituer et à juxtaposer ledit plateau et ledit groupe annulaire, de pair avec des supports qui permettent une rotation relative entre eux et qui déterminent un écartement axial entre ces organes, le plateau terminal étant monté de manière telle qu'il puisse se déplacer axialement afin que l'intervalle axial entre le groupe annulaire de cellules et la plaque ter- minale reste constant. Les supports peuvent comporter au moins un palier pro- pre à conserver l'intervalle axial entre la face terminale du groupe de cel- lules et le plateau terminal. Le plateau terminal mobile peut être supporté par des organes de guidage propres à permettre un déplacement axial du pla- teau tout en empêchant son inclinaison par rapport au groupe annulaire- de- cellules.
Suivant un mode de réalisation, on fait comporter aux organes de guidage un mécanisme articulé à mouvement parallèle et propre à permettre un mouvement axial du plateau terminal mais sans inclinaison de celui-ci et, à cet effet, on peut faire comporter au mécanisme susdit au moins-deux tiges établies dans un plan ou dans des plans parallèles et perpendiculaires à la direction du mouvement axial du plateau terminal, cea tiges n'étant pas pa- rallèles entre elles et étant articulées à une pièce relativement fixe par rapport au plateau terminal, et chaque- tige portant au¯moins deux leviers qui, de pair avec des biellettes par-lesquelles ces leviers sont reliés au plateau terminal, permettent un déplacement axial de ce plateau sans incli- naison.
Le plateau terminal peut être empêché de se déplacer latéralement par des supports qui s'opposent au mouvement latéral dudit plateau. Un au- tre mode de réalisation des moyens de guidage consiste à faire comporter . aux guides au moins un arbre ou un manchon fixé au plateau terminal mobile, dans le prolongement axial de celui-ci, et au moins un manchon ou un arbre fixé à une pièce qui est relativement fixe par rapport audit plateau tout en étant engagée sur l'arbre ou dans le manchon, cité en premier lieu, pour supporter celui-ci et permettre le mouvement axial du plateau terminal sans inclinaison et sans mouvement latéral.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, quelques mo- des de réalisation de 1'invention.
Les Figs. 1 et 2 montrent, respectivement en coupe axiale et en coupe transversale selon A-A Fig. l, un échangeur de pressions établi selon l'invention.
La Fig. 3 montre, en coupe, un cylindre équilibreur de pression avec un mécanisme amplificateur d'effort à système articulé.
La Fig. 4 montre, schématiquement, un autre mécanisme du même genre.
Les Figs. 5 et 6 montrent, respectivement en vue en bout (parties en coupe et parties arrachées) et en coupe selon A-A Fig. 5, le couvercle de l'échangeur de pressions avec un mécanisme amplificateur à mouvement pa- rallèle.
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Léchangeur de pressions 1, montré sur les Figs. 1 et 2, comprend un rotor 2, en forme de tambour, dans lequel est ménagé un groupe annulaire de cellules 3, ce rotor tournant dans une enveloppe ou un stator 4 entre deux plateaux terminaux 5 et 6. Les cellules 3 ont leurs axes longitudinaux paral- lèles à laxe de rotation du groupe de cellules. Le plateau terminal 6 et un couvercle 7 sont fixés au stator 4 qui contient un plateau terminal 5 qui est supporté de manière à être mobile axialement sans qu'il ait une tendance à s'incliner ou à tourner.
Les deux plateaux 5 et 6 portent respectivement des boites 8 et 9 dans lesquelles sont logés respectivement des paliers 10 et 11 dans lesquels tourbillonnent des arbres 12 et 13 supportant-le rotor 2 par des bras radiaux 14 et 15 établis aux extrémités du rotor 2 et fixés respec- tivement aux arbres 12 et 13. Les deux plateaux 5 et 6 portent des raccords tubulaires 16 et 17 pour l'admission et l'évacation du fluide de balayage à basse pression et des raccords analogues 18 et 19 pour l'admission et l'é- vacuation du fluide de balayage à haute pression, ces raccords étant traver- sés par le fluide (air) à basse pression et par le fluide (gaz de combustion chauds) à haute pression afin qu'ils puissent être comprimés et détendus dans les- cellules 3 du rotor 2.
Les raccords 16 et 18 du plateau terminal mobile 5 peuvent coulisser, dune manière étanche aux gaz, par rapport à des conduits 20 et 21 faisant partie du carter 4. Des joints hermétiques 22 et 23 sont établis respectivement entre le raccord 16 et le conduit 20 et entre le raccord 18 et le conduit 21 pour empêcher les fuites quand le plateau 5 est déplacé. Les arbres 12 et 13 sont reliés-entre eux, à proximité des bras radiaux 15, par un accouplement coulissant 24 qui permet la dilatation et la contraction du rotor 2 et des arbres 12 et 13 les uns par rapport aux autres.
Le rotor 2 est constitué par deux cylindres concentriques, un cy- lindre extérieur 25 et un cylindre intérieur 26 entre lesquels sont interca- lées des cloisons radiales 27 délimitant les cellules 3. Des joints à laby- rinthe 28 sont établis entre le rotor 2 et les plateaux 5 et 6 pour empêcher les fuites depuis les cellules 3 vers les cavités du stator 4. Des joints à frottement, en une matière carbonacée, résistant aux températures élevées et autolubrifiante, peuvent remplacer les joints à labyrinthe 28. Le stator 4, le couvercle 7 et le plateau terminal 6 forment un récipient fermé contenant le rotor 2.
Les cavités autour du rotor 2 peuvent être maintenues à une pres- sion intermédiaire entre la haute et la basse pression des fluides à déten- dre et à comprimer dans les cellules 3 pour diminuer les pertes de pression depuis les cellules 3.
La boîte 8 du palier du plateau mobile 5 comporte un manchon cen- tral 29 dont 1-'axe est confondu avec celui des arbres 12 et 13, ce manchon se trouvant du côté du couvercle et étant logé dans un bossage- 30 qui est porté par le couvercle 7 et s'étend vers la boite 8. Dans le manchon 29 est logé un palier à billes 31 qui supporte un prolongement 12a des arbres 12 et 13, ce prolongement ayant une section plus petite et traversant un trou.
32 du couvercle 7. Le manchon 29 peut coulisser axialement dans le bossage 30 et porte un joint annulaire 33 pour assurer l'étanchéité entre le man- chon 29 et le prolongement 12a, Un joint analogue 32 est prévu.dans le trou 32 du couvercle 7. On fait tourner le rotor en entraînant son arbre par l'u- ne ou 1-'autre de ses extrémités 12a ou 13a ou autrement.
Trois cylindres 34 (Figs. 1 et 2), servant à l'équilibrage des pressions, sont ménagés dans le couvercle 7 pour réduire la tendance du pla- teau mobile 5 à être déplacé ou incliné par l'effet de la pression élevée du fluide contenu dans certaines des cellules. Des pistons- 35, qui peuvent coulisser dans les-cylindres 34, sont reliés directement au plateau 5 par des' tiges 36 ou par un mécanisme amplificateur d'effort 36, 37, 38 (Fig. 3), avec un ensemble articulé, qui permet de se servir d'un piston et d'un culin- dre plus- petits.
Le même effet peut, toutefois, être obtenu à l'aide-d'un seul cy-- lindre équilibreur de pression 34 dont le piston 35 est relié à un mécanisme articulé, comme montré- schématiquement sur la Fig. 4. Le piston 35, coulis- sant par la pression du fluide dans le - cylindre - 34,. agit par sa tige 36 sur une extrémité d'un levier 39 suspendu par une biellette- 40 à un joint du
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couvercle 7. Le levier 39 est relié, par des biellettes écartées 41 et 42, à des points appropriés du plateau 5 pour empêcher son déplacement axial et son inclinaison par l'effet de la pression dans les cellules 3.
Le déplacement axial et 1-'inclinaison du plateau mobile 5 peu- vent être empêchés par le dispositif montré sur les Figs. 5 et 6. Le cou- vercle 7 porte deux arbres 43 et 44 tourillonnés respectivement dans des bossages 45,46 et 47, 48. Sur les arbres 43 et 44 sont calés respective- ment des bras 49, 50 et 51, 52, ces bras étant reliés respectivement par des biellettes 53, 54 et 53, 56 au-plateau terminal 5.
Un seul cylindre équilibreur 34, avec son piston 35 et sa tige de piston 36, peut être adjoint aux arbres 43 et 44 pour s'opposer aux ef- forts produits par le fluide à haute pression et agissant sur le plateau 5.
On peut remplacer le cylindre 34 et le piston 35 par un dispositif moteur à membrane ou par un soufflet élastique pour agir directement ou indirecte- ment sur le plateau 5 par un ensemble articulé tel que décrit. Le disposi- tif moteur à piston ou à membrane, ou le soufflet élastique, est établi, de préférence, de manière à agir, en substance, suivant une direction axiale, et le fluide sous pression, qui fait fonctionner ce dispositif, peut être prélevé en un endroit approprié de l'échangeur de pressions 1.
Pour le fonctionnement, les raccords 21 et 19 de l'échangeur 1 sont reliés à un circuit (non montré) d'un fluide à haute pression et les raccords 20 et 17 à un circuit (non montré-) d'un fluide à basse pression.
Le plateau terminal 5 est donc soumis à une pression élevée en un endroit, et à une pression plus basse à un autre endroit. La différence entre la pression élevée et la pression plus basse tend à incliner le plateau alors que les deux pressions tendent à déplacer celui-ci axialement en augmen- tant l'intervalle existant entre le plateau et le rotor 2. Les pistons 35 sont alimentés avec du fluide sous pression pour équilibrer les chargea agis- sant sur le plateau 5. Du fluide à pression élevée, prélevé en un point ap- proprié de l'échangeur 1, peut être fourni, par le conduit 57, aux deux pis- tons 35 qui se- trouent de part et d'autre du raccord 21 pour la pression supérieure (Fig. 2), alors que la pression atmosphérique peut agir, par le trou 58, sur le- piston 35, voisin du raccord 20 pour la pression inférieure.
En même temps le plateau terminal 5 est empêché de s'incliner ou de se dépla- cer latéralement par rengagement du manchon 29 dans le bossage 30.
Le mécanisme équilibreur articulé au piston unique, tel que mon- tré sur la Fig. 4, constitue un autre dispositif qui peut être utilisé pour équilibrer tous les efforts agissant sur le plateau 5.
Le mécanisme articulé et à mouvement parallèle, tel que montré sur les Figs. 5 et 6, peut être adjoint à l'échangeur de pressions 1 pour agir sur uns deux ou trois- pistons 35, selon nécessité, pour équilibrer les efforts qui tendent à incliner ou à déplacer axialement le plateau 5. Dans ce cas il est nécessaire de faire intervenir un mécanisme propre à empêcher le-mouvement latéral du plateau 5 et pour cette raison le manchon 29 coulis- sant dans le bossage 30, ou un dispositif analogue, est adjoint au mécanisme articulé à mouvement parallèle.
Pour l'échangeur de pressions, pour lequel il est nécessaire de prévoir deux plateaux terminaux mobiles entre lesquels le ou les rotors sont établis, chaque plateau est construit et agencé de manière à pouvoir se déplacer axialement en vue de permettre la dilatation thermique-ou un dépla- cement axial limité du ou des rotors, en substance comme décrit ci-dessus pour- un seul plateau terminal mobile. Quand deux plateanx mobiles, doivent ê- tre équilibrés, un de ces plateaux peut être équilibré directement par un ou plusieurs pistons, membranes ou soufflets compensateurs de pressions, alors que l'autre plateau peut être équilibré- indirectement par les mêmes pistons, membranes ou soufflets, à l'aide de leviers et bielles.
Il est évident que, lorsqu'on se sert de pistons mobiles dans des cylindres pour obtenir l'effort équilibreur, on peut fixer les cylindres au plateau et les pistons à une partie fixe de la machine, ce qui est le con-
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traire de ce qui a été décrit et montré sur les dessins.
Pour que l'objet de l'invention donne de bons résultats, il peut être désirable de réchauffer ou de refroidir certaines parties de l'échan- geur en prélevant du fluide actif dans d'autres parties de celui-ci et en conduisant ce fluide de manière qu'il s'écoule au contact des organes, tels que l'arbre du rotor et les paliers, dont on veut régler la température en vue de réduire les différences de température et d'obtenir certaines tempéra- tures en des endroits particuliers et l'échangeur.
Dans un- échangeur de pressions dans lequel un des fluides est à une température élevée, il peut être nécessaire de refroidir certains orga- nes, tels que- les paliers et les supports adjacents. Sur la Fig. l, la hoï- te 8 du palier est montrée avec une chemise 58 dans laquelle circule un fluide refroidisseur alors que le bossage-30 comporte une chemise analogue 59, entourant- le- manchon.29.