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"Perfectionnements aux compresseurs à rotors en- grenants"
La présente invention est relative aux com- presseurs à rotors hélicoïdaux egrenants. Les compresseurs de ce type comprennent en général un corps ou barillet dans lequel est ménagé un espace de travail longitudinal consti- tué par deux alésages cylindriques sécants à axes parallèles.
Cet espace communique à une extrémité avec un orifice d'ad- mission du fluide basse pression, dont la section est dispo- sée principalement d'un premier cote du plan défini par les axes des alésages, et communique d'autre part avec un orifice de refoulement haute pression, dont la section est disposée principalement de l'autre coté dudit plan* Dans les alésages ' tournent des rotors dont chacun comporte au moins trois ner- vures et trois rainures hélicoïdales dont l'angle total d'en-
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roulement est inférieur à 360 .
L'un de ces rotors, dit le ro- tor mâle, a des nervures à flancs convexes dont la section est disposée principalemetn à l'extérieur du cercle primitif dudit rotor; l'autre, dit rotor femelle a des nervures à flancs oon- caves dont la station est disposée principalement à l'intérieur du cercle primitif dudit rotor femelle, Les votera mâle et fe- melle engrènent par leurs nervures et rainures pour former, aveu les régions du corps qui sont en regard, des chambres de compression en forme de chevrons,constituées chacune par une partie de rainure de rotor mâle et une partie de rainure de rotor femelle.
Les chambres de compression sont délimitées à l'une de leurs extrémités, dite fond ou base de la chambre, par un plan transversal fixe au droit de l'orifice haute pres- sion, et à leur autre extrémité,' dite sommet de la chambre par les nervures engrenantes des' doux rotors. Quand les rotors tournent, les sommets des chambras se déplacent axialement vere dit plan fixe de base, de- sorte que le volume des chambres décroît, et que les chambres viennent l'une après l'autre communiquer avec l'orifice haute pression pour voir leur volume se réduire à zéro au[droit dudit plan fixe.
Les compresseurs *de ce type fonctionnent ac- tuellement, d'une manière générale, à l'état sec, c'est-à-dire sans présence de liquide dans l'espace de travail. L'étan- chement des chambres de compression est assuré uniquement .par les joints ou "garnitures d'espace" constitués par le jeu réduit existant entre éléments en rotation relative, Ces compresseurs "secs" tournent à des vitesses élevées, corre-s pondant à des vitesses linéaires à la périphérie du rotor . mâle, ouvant aller jusque 125 m/s environ. Pour un compres- sour dont le rotor a un diamètre de 200 mm, cette valeur
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correspond à une vitesse angulaire d'environ 12000 tam,'.
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L'entraînement de ces compresseurs est en général assuré
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par un moteur Diesel ou autre moteur à combustion ou expier $ton, ou encore par moteur électrique à vitesse normale/ Ces diverses sources de force motrice, dont la vitesse angu- laire est en général comprise entre 1500,et 2000 t/=, ."'t. exigent donc l'emploi d'un engrenage multiplicateur* ; >,.
D'autre part;, dans ces compresseur* seea /;! .#,* rapport do compression lè pi un $rand qu'en pum$ antoi en pratique en un seul étage, avec un re.demen as$et t" tisfaisant, est de l'ordre de 4 même ave:c refroidissement extérieur du corps, la limite supérieure, satisfaisante -b , étant d'ailleurs en général considérée comme étant plus voisine de 3 que de 4e Les causes de cette limitation sont, dues d'une part aux pertes élevées par fuites a travers bzz la "garniture "dl espace" utilisée,, d'autre part aux hautes températures créées par la compression et donnant lieu à
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des dilatations différentes dans les diverses parties du', compresseur.
Si l'on veut obtenir des pressions élevées,;!
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par, exemple fxmr. l'ai intentât ion en air compriod d'un fcte- liey ou. encore d'outils pneumatiques portatifs à environ, 7 kg/ern2 relatifs, ce qui représente un taux de compris ;,#' ,,' sion d'environ 8, on a donc toujours recours à la ampres sion en deux Stases (Avec refroidissement lnt ormddîalreo La, pédsente invention se propose en* premier ' ;
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lied de permettre au moyen d'un compresseur du type gercé--'
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rail considéré, de comprimer de l'air ou un autre gaz-ave un bon rendement en un seul étage, et. a un taux de oOm" pression plus élevé que ceux qu'on pouvait obtenir 2k ce' jour d'abaisser d'autre part les vitesses n6oeb-dâ*és',,.
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de manière h permettre l'entraînement direct du compres- seur par un moteur à combustion interne usuel, ou un mo- teur électrique de vitesse usuelle* de permettre la suppres- sion des engrenaces de synchronisation et, plus générale- ment, de perfectionner les compresseurs actuels du type envisagé.
Conformément \ l'invention, en injecte dans le compresseur un liquide destiné à un double but :d'una part fournir un joint hydraulique étanchant les jeux, d'au.. tre part assurer un refroidissement direct du fluide en cours de compresseur, à >un degré assez poussé poyr permettre . d'obtenir en un seul étage de compression les pressions d'air comprima usuelle*? employées dans les ateliers,avec un bon rendement, et à des vitesses rotoriques sensiblement inférieures! à celles nécessaires à ce jour.
Selon une par.. ticularité inventive importante, l'injection de liquide est effectuée de fagon quantitative, avec une certaine rc- lation bien déterminée, précisée plus loin, entre la/débit et la vitesse du compresseur, relation qui assure un ren- demont pratique optimal pour un ensemble de conditions données.
On va maintenant décrire un exemple de réali- sation de l'invention, nullement limitatif,représenté au dessin annexé sur lequel '
Fig. 1 est une coupe longitudinale en partie suivant la ligne 1-1 de la fig. 2, et en partie suivant la-la, fig. 2;
Fig. 2 est une coupe par 2-2, fig. 1;
Fig.3 est une famille de courbes mdntrant les variations du rendement en fonction de la vitesse l'iné- aire pour différents débits d'injection du liquide;
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Fig.4 est une famille de courbes montrant les ' variations en fonction de la vitesse linéaire du rapport du débit-masse du liquide injecte au débit-masse du fluide comprimé, d'une part pour l'obtention du rendement optimal, d'autre part pour une place acceptable de ce rendements
Le compresseur représenté aux fige 1 et 2 com- prend un rotor mâle 10 et un rotor femelle 12 engrenant entre eux par leurs nervures et rainures hélicoïdales.
Dans le rester mâle 10, la section droitedes nervure* est ' située pour sa plus grande partie en-dehors du cercle pri- mitif, et leurs flancs sont convexes* Dans le rotor femelle 12, la section droite des nervures est située pour sa plus, grande partie à l'intérieur du cercle primitif et leurs flancs sont concaves. L'angle sur lequel chaque nervure enveloppe le rotor correspondant est inférieur à 360 .
Les rotors 10, 12 sont disposés dans un corps comportant une partie en forme de barillet 14 à parois ter- minales ou joues 16, 18, délimitantun espace de travail 20 constitué sensiblement par deux alésages cylindriques sé- cants à axes parallèles. L'espace de travail comporte un orifice basse pression.22 et un orifice haute pression 24, les sections de ces deux orifices.étant situées pour leur plus grande partie de part et d'autre du plan des axes des alésages. Le rotor mâle 10 est muni d'un axe 26 qui sort . travers la joue 16 et est destiné à être accouplé à un moteur d'entraînement non représenté.
Ce rotor mâle est soutenu dans la joue 16 par deux paliers à billes obliques 28 contigus, et dans la joue 18 par un palier à galets 30.
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Le compresseur présente un compartiment 32 ' dans lequel on délivre un liquide sous pression provenant d'une source non représentée, au moyen d'une conduite 34 munie d'uno valve 36 de réglage du débit. Du compartiment 32 le liquide est injecté dans l'espace de travail 20 par une série de buses ou orifices 38 réparties suivant la ligne d'intersection 40 des deux alésages, ligne qui se trouve du même côté par rapport au plan défini par les axes rotoriques que celui où se trouve l'orifice haute pression 24.
Non loin de .l'autre ligne d'intersection des alésages, celle située dû même coté par rapport au plan précité que celui où se trouve 1'orifice basse pression, est disposée une plaque d'éf lectrice 42 qui s'étend le long de ladite ligne et sert 4 guider le liquide s'écou- lant entra les deux rotors suivant des veines ou nappes périphériques vers les parois do l'espace de travail do manière à limiter le degré de mélange se produisant entre le liquide et le fluide élastique comprimé.
Le fonctionnement de cotte machine en vue d'assurer la compression est bien connu. Les rotors étant entraînés dans le sens des flèches (fig. 2), les rainures dos deux rotors se remplissent à l'instant où leur extré- mité d'admission franchit.l'orifice 22; cette phase d'ad- mission du cycle s'achève à l'instant où les rainures dépassent la position où elles sont en communication aveo ledit orifice.
L'air entraîné s'écoute vers l'aval le long des rainures jusqu'à l'instant où une nervure de l'un dss rotors commence à s'insérer dans une rainure';coopérante de l'autre rotor h la ligne d'intersection 40 entre les deux alésages du c8té inférieur ou haute pression, pour
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amorcer ainsi la phase compression du cycle par la fonmaticrt de chambres de compression en forme de chevrons composées dqdeux parties de rainures rotoriçues, délimitées à une
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extrémité par la joue haute pression du corps et à l1 autre par le point d ' engrènement des rotors.
Ce dernier point se propage vers la joue haute pression mesure Que la rotla- tion des deux rotors oc poursuit, de sorte que ta 1 et le volume de la chambre de compression dëcïpls3<snt'!gr'o"- gressivement, ce volume finissant par être réduit & ér&j le contenu de la chambre'est alors refoule par .l' orifice "# haute pression 24 au cours do la phase finale u cyoioTott phase de refoulement; cotte dernière phase peut d"alllêurs. être considérée comme un prolongement de la phase co prs* sion.
Ainsi qu'on le comprendra alt-.,6ment? le taux de compression obtenu, caractéristique de construction de la machine, est fonction principalement des dimensions et
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de la forme de l'orifice de sortie, qui tïetermlinent le y-olu- me de la chambre de compression à l'instant oh oelle-ci vient en regard de cet orifice. On conçoit également que ce taux peut être modifié au moyen de valve* appropriées , mais les artifices connus de ce genre importent peu pour la présente invention. Il suffit d'indiquer que, ainsi que l'a prouva l'expérience, la présente Invention permet
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d'obtenir facilojneht, avec un soûl étage de compression, un taux de oompr,
J$S 1cn ayant la valeur avantageuse -et' en.. viron 8, noessaf.re pour l'alimentation Ces ateliers en.. air comprimé*
Dans les compresseurs secs du type général envisagé, le bon rendement dépend principalement de-
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l'étroiitesse des jeux qu'on peut réalisers pratiquement: et, surtout, qu'on peut entretenir, dans les conditions parfois très dures dans lesquelles les compresseurs de ce genre, surtout les compresseurs portatifs, sont appelés à travailler. Ces jeux se sont révélés comme un facteur très sensible dans le fonctionnement des compresseurs secs.
En se basant sur l'expérience dont on dispose dans le douzaine des pompes à engrenages pour liquides, le* com- presseurs rotatifs à palettes coulissantes à joint liquide, - et autres machines de manutention des fluides par dépla- cement positif, il semblerait logique de supposer que la plupart des difficultés rencontrées dans le domaine des compresseurs secs du type en question pourraient être réduites ou levées par le simple artifice qui consisterait à injecter en quantité suffisante un liquidé tel qu'une huile fluide ou même de l'eau, pour constituer un joint étanchant les jeux qui forment la "garniture d'espace" des chambres du compresseur sec.
En effet, une telle in- jection devrait avoir pour résultat non seulement d'amé- liorer les joints et empêcher les fuites des chambres de compression, mais aussi de permettre d'augmenter notable- ment les jeux en question 'tout en conservant l'étanchéité voulue, en raison de la nature liquide et non gazeuse du fluide d'étanchement,
Or l'oxpérimantation a démontré que ces conclusions d'apparence logique sont néanmoins tout-à-fait erronées.
Les premières expériences réalisées ont montré que l'in- jection do liquide était accompagnée d'une baisse notable du rendement par rapport à sa valeur à soc, se traduisant par une augmentation de la consommation d'énergie pour un débit. donné d'air comprime.
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L'analysé de ces expériences initiales a montré quo l'injection de liquide nécessitait une révision com- plète de la conception mente du fonctionnement du compres- seur. En effet, étant donné la densité et la viscosité beaucoup nlus fortoa des liquides (aussi fluides et ténors .
soient-ils) par rapport aux gaz, les pertes dues au bras- sage du liquide injecté dans les chambres de compression on présence de rotors engrenant étroitement entre eux et tournant 4 grande vitesse, étaient tellement plus lmpor- tantes que les portes dues à la turbulence du gaz dans les chambres sèches à "garniture d'espace", que la -perte nette résultante dépassait de loin l'amélioration éventuelle qui serait duo à une meilleure étanchéité par remplissage dos . jeux au moyen du liquide.
En présence de ces conclusions initiales, il aurait sembla logique d'admettre qu'en augmentant le débit de' liquide injecté on ne ferait qu'aggraver les pertes.
On a constaté au contraire que c'est la conclusion inversa qui est vraie, à condition que le débit du liquid@ ist @té présente par rapport à la vitesse des rotor,- et au dit@. de gaz comprimé une certaine relation qu'on va préciser.
En effet, la Demanderesse a constaté, en pre- mier lieu, pour que les performances du compresseur à in- jection de liquide soient comparables,, et à plus forte raison supérieures, à celles du compresseur sec, il fallait d'une part que l'injection de liquide se fasse sous un débit dépassant de beaucoup la valeur nécessaire et suffi- sante pour fournir le joint hydraulique, et qu'il fallait en morne temps faire fonctionner les compresseurs sur vine Plage do régimes, en co qui concerne la vitesse:
périphérique
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des rotors, entièrement différente da celle employée pour les compresscurs sucs, Elle a constata en outre oue pour réaliser l'amélioration désirée il fallait qu'il existe entre los facteurs précités une relation nettement définie.
Etant donné les conditions très variables, en ce qui concerne notamment d'une part los capacités, taux de compression, pressions absolues et relatives, qui' peu- vent se présenter dans les compresseurs du genre envisagé, et d'autre part les densités, chaleurs spécifiques, visco- sités et autres caractéristiques dos gaz avec lesquels ces compresseurs peuvent,être employés;. il est impossible dans oc Mémoire de présenter une discussion complète de toutes les combinaisons possibles entre les facteurs préci- tés susceptibles de s'appliquer à un compresseur déterminé réalise conformément 4 l'invention.
On se bornera dans ce qui suit à donner un..) discussion sommaire des conditions applicables notamment au,domaine dus compresseurs d'air portatifs, domaine particulièrement important dans la tech- nique et qui suffira pour illustrer les principes do l'in- vent ion.
Des essais effectués sur un compresseur à un étage délivrant do l'air-sous 7 kg/cm rel. (pression d'a- telier) avec admission à la pression atmosphérique, mon- trent que le débit optimal d'injection de liquide varie suivant certaines particularités constructives du compres- seur, et que les résultats obtenus on faisant varier le dé- bit d'injection suivant une loi quantitative bien définic, ainsi que l'illustrent, sans intention limitative, les graphiques des fig.3 et 4.
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La tige ?'montre pour train valeurs du. débit? ##'- d'injection, les variations du rondement-6n fonction de la vinsse périphérique S des rotors. Le rendement est exprimé
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par la "puissance spécifique" Spec Pp e'$at*a-dira la. puis. aanco en chevaux nécessaire pour refouler 1 ' ? d'air à la pression sus¯indiquée par minute. ton courbes A, B cor- respondent respectivement à trois valeurs du éb3 ,d' .nc.. tion croissantes, proportionnelles à 1# 1,,60'et 2,67. z
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Les courbes de oc graphique mettant! en dyleonce plusieurs points importants.
Il est évident tout d'abord qu'il existe pour chaque débit atinieet:.on vitesse dp*?- ,I tlmale nettement définie, et que, dane loe P]Àeo de yitoBsoe utiles autour de cette valeur optimale bout accroissement ,
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du débit d'injection réduit la pi4îesmiot,' spécifique et donc améliore le rondement. On peut trouver 3.a. cause de aettc " dernière constatation 'Jans le fait que les variations do 4/v: àériit .nant ner part,sont par entraftrr dra bzz débit Injonté ne paraissent pas entraîhpr des variations ' * >w proportionnelles des pertes- -par braosaigtit qui démoulent ? >##' beaucoup plus constantan, tandis quo l'augmentation du débit d'injection augmente le rendement grâce à 1'a. crat.fl, , r . directe et efficace du refroidisacmont.
Lo graphique paraît suggérer qu'en augmentant encore le débit d* infection'on aug- Monterait encore le rendement optimal* Ceci peut bien être le cas, cependant, des considérations pratiques intervien- nont pour limiter le débit d'injection maximal! en effet au-delà d'une certaine valeur du débit 1' importance et le prix de l'installation do pompage du liquida viennent Compenser les avantages que pourrait procurer un nouveau.
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gain sur le ï"d'3(ncnt. Do môme, on ce qui concerne le débit minimal, il intervient une limitation do'aécurit6
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s'ajoutant colle relative au rendement.
Dans pratiquement la totalité des cas, en effot, le liquide utilisé est de nature combustible, le plus souvent un hydrocarbure tel qu'une huile de graissage or le débit doit alors êrtre suffisant pour maintenir la température de la machine, qui tend à s'élever en raison.-de la chaleur de compression, in- férieure à la température.-d'Inflammation du liquide, Dans le cas des compresseurs alternatifs ordinaires employant les lubrifiants usuels, on considère 125" environ comme la limita supérieure de sécurité.
De la fig. 3 il ressort encore que pour les résultats optimaux, le débit d'injection du liquide doit présenter un relation bien! déterminée aval la vitesse de fonctionnement.
Comme il est nature)., les pertes par bras- sage croissent avec la vitesse linéaire périphérique, et si: le débit d'Injection est.trop fort pour la vitesse uti- lisser, le rendement.baisse. Cet.1 ressort bien des courbes, où la courber correspond à un débit d'injection égal aux 160 % de celui auquel correspond la courbe A, et la courbe C à un débit étal aux 267 -de celui pour la courbe A, ainsi qu'on l'a dit.
Comme on l'a indiqué plus haut, le débit d'in- jection optimal décroît quand la vitesse périphérique croit.
La Demanderesse a déterminé qu'en vue dos résultats opti- maux il doit exister entre les débits-masse du liquide et du gaz une relation bien déterminée, et de nombreux essais du genre de ceux qui ont conduit aux courbes de la fig. 3, ont montré que la relation optimale devant exister entre la vitesses de fonctionnement et les débits, est représon-
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table par une courbe d'allure hyperbolique telle que la courbe D de la fig. 4, où lo rapport MR des débits-masse est roprésenté en fonction de la vitesse périphérique S.
La courbe D a sensiblement pour équation
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où 0 est une constante qui, 8 étant exprimée en métres/sec, est égale à environ 600.
Bien entendu, on pourra obtenir des résultats satisafaisants dans la pratique avec des rapporta do débita- masse s'écartant quelque peu de part et d'autre de ceux donnés par la courbe D assurant le rendement maximal; dans certains cas., il pourra d'ailleurs arriver que la considé- ration d'autres facteurs économiques prédominera sur la considération relative à l'obtention du rendement maximal Il'doit donc être entendu que conformément à la présente invention, la constante C entrant dans la relation expri- mée par l'équation ci-dessus do la courbe D pourra s'écar- ter do part et d'autre de la valeur (600) indiquée comme optimale, et cela entre les limites approximatives 300 et 900.
Sur la fig.4 les courbes E et F correspondent à ces deux valeurs respectivement La courbe E, limite infé- rieure de la marge utilisable suivant l'invention, corres- pond à des valeurs pour lesquelles la puissance spécifi- que atteint une valeur assez haute pour rendre préférable l'emploi de plusieurs étages décompression avec refroidis- sement Intermédiaire; la courbe F, limite supérieure* correspond aux valeurs pour lesquelles le débit d'éjection devient si abondant que les installations de pompage né- cessaires deviennent prohibitifs.
Il convient en outre
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de remarquer que la formule donnée plus haut est considé- rée comme applicable soulement pour lea valeurs du rapport dos débits-masse MR supérieures à 1,5 onviron, ce qui assu- rera le maintien de températures maximales no dépassant pas les limites de sécurité généralement acceptées,
Il est bien entendu que diverses modifications de forme et de détail peuvent être apportées sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention
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"Improvements to entrained rotor compressors"
The present invention relates to compressors with ginning helical rotors. Compressors of this type generally comprise a body or barrel in which is provided a longitudinal working space constituted by two intersecting cylindrical bores with parallel axes.
This space communicates at one end with an inlet for the low pressure fluid, the cross section of which is arranged mainly on a first side of the plane defined by the axes of the bores, and on the other hand communicates with an orifice high pressure discharge, the section of which is arranged mainly on the other side of said plane. Rotors rotate in the bores, each of which has at least three ribs and three helical grooves, the total angle of which is
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bearing is less than 360.
One of these rotors, called the male rotor, has ribs with convex sides, the section of which is arranged mainly outside the pitch circle of said rotor; the other, called the female rotor, has ribs with rounded sides, the station of which is arranged mainly inside the pitch circle of said female rotor. The male and female voters mesh with their ribs and grooves to form, admittedly, the facing regions of the body are chevron-shaped compression chambers each consisting of a male rotor groove portion and a female rotor groove portion.
The compression chambers are delimited at one of their ends, called the bottom or base of the chamber, by a fixed transverse plane in line with the high-pressure orifice, and at their other end, called the top of the chamber. by the meshing ribs of the 'soft rotors. When the rotors rotate, the tops of the chambers move axially towards said fixed base plane, so that the volume of the chambers decreases, and that the chambers come one after the other to communicate with the high pressure orifice to see their volume is reduced to zero at [the right of said fixed plane.
Compressors * of this type currently operate, in general, in a dry state, that is to say without the presence of liquid in the working space. The sealing of the compression chambers is provided only by the gaskets or "space gaskets" constituted by the reduced clearance existing between elements in relative rotation. These "dry" compressors rotate at high speeds, corresponding to at linear speeds at the periphery of the rotor. male, opening up to about 125 m / s. For a compressor with a rotor diameter of 200 mm, this value
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corresponds to an angular velocity of about 12000 tam, '.
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The drive of these compressors is generally ensured
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by a diesel engine or other combustion engine or atone $ ton, or even by an electric motor at normal speed / These various sources of motive force, the angular speed of which is generally between 1500, and 2000 t / =,. "'t. therefore require the use of a multiplier gear *;> ,.
On the other hand ;, in these compressor * seea / ;! . #, * compression ratio lè pi a $ rand than in practice in a single stage, with a re.demen as $ and t "t satisfactory, is of the order of 4 even with: c external cooling of the body, the upper limit, satisfactory -b, being moreover generally considered as being closer to 3 than to 4th The causes of this limitation are, on the one hand, due to the high losses by leaks through bzz the "seal "dl space" used ,, on the other hand to the high temperatures created by the compression and giving rise to
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different expansions in the various parts of the compressor.
If one wants to obtain high pressures,;!
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for example fxmr. ai intentât ion in air compriod of a fcte- liey or. still portable pneumatic tools at about, 7 kg / ern2 relative, which represents a rate of included;, # ',,' sion of about 8, we therefore always have recourse to the ampres sion in two Stases (With cooling lnt ormddîalreo The, pedsente invention is proposed in "first";
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lied to allow by means of a cracked type compressor-- '
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considered rail, to compress air or another gas with good efficiency in a single stage, and. at a rate of oOm "pressure higher than those which could be obtained 2k today to lower the speeds n6oeb-dâ * és', on the other hand.
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so as to allow the direct drive of the compressor by a conventional internal combustion engine, or an electric motor of the usual speed * to allow the elimination of the synchronization gears and, more generally, to improve the current compressors of the type envisaged.
In accordance with the invention, a liquid is injected into the compressor for a dual purpose: on the one hand to provide a hydraulic seal sealing the clearances, on the other hand to provide direct cooling of the fluid during the compressor, to > a fairly high degree to allow. to obtain the usual compressed air pressures in a single compression stage *? used in workshops, with good efficiency, and at significantly lower rotor speeds! to those needed to date.
According to an important inventive feature, the injection of liquid is carried out quantitatively, with a certain well-determined relationship, specified below, between the flow rate and the speed of the compressor, a relationship which ensures a yield. optimal practice for a given set of conditions.
A description will now be given of an exemplary embodiment of the invention, which is in no way limiting, shown in the appended drawing in which '
Fig. 1 is a longitudinal section taken partly along line 1-1 of FIG. 2, and partly along la-la, fig. 2;
Fig. 2 is a section through 2-2, fig. 1;
FIG. 3 is a family of curves showing the variations in efficiency as a function of the speed inefficient for different injection rates of the liquid;
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Fig. 4 is a family of curves showing the 'variations as a function of the linear speed of the ratio of the mass flow rate of the injected liquid to the mass flow rate of the compressed fluid, on the one hand to obtain the optimum efficiency, on the other hand share for an acceptable place of this returns
The compressor shown in Figs 1 and 2 comprises a male rotor 10 and a female rotor 12 meshing with each other by their ribs and helical grooves.
In the male remainder 10, the straight section of the ribs * is' situated for the most part outside the primary circle, and their flanks are convex * In the female rotor 12, the cross section of the ribs is situated for its most part. , large part inside the original circle and their sides are concave. The angle at which each rib envelops the corresponding rotor is less than 360.
The rotors 10, 12 are arranged in a body comprising a barrel-shaped part 14 with end walls or cheeks 16, 18, delimiting a working space 20 consisting substantially of two securing cylindrical bores with parallel axes. The working space comprises a low pressure orifice 22 and a high pressure orifice 24, the sections of these two orifices being situated for the most part on either side of the plane of the axes of the bores. The male rotor 10 is provided with a shaft 26 which protrudes. through cheek 16 and is intended to be coupled to a drive motor, not shown.
This male rotor is supported in the cheek 16 by two contiguous oblique ball bearings 28, and in the cheek 18 by a roller bearing 30.
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The compressor has a compartment 32 'into which a pressurized liquid is delivered from a source not shown, by means of a pipe 34 provided with a valve 36 for adjusting the flow rate. From compartment 32, the liquid is injected into the working space 20 by a series of nozzles or orifices 38 distributed along the line of intersection 40 of the two bores, which line is on the same side with respect to the plane defined by the rotor axes than the one where the high pressure port 24 is located.
Not far from the other line of intersection of the bores, that located on the same side with respect to the aforementioned plane as that in which the low-pressure orifice is located, is disposed an ef reader plate 42 which extends along of said line and serves to guide the liquid flowing between the two rotors following veins or peripheral sheets towards the walls of the working space so as to limit the degree of mixing which occurs between the liquid and the elastic fluid compressed.
The operation of a chain machine with a view to ensuring compression is well known. The rotors being driven in the direction of the arrows (fig. 2), the grooves at the back of the two rotors fill up at the instant when their inlet end passes through the orifice 22; this admission phase of the cycle ends at the instant when the grooves exceed the position where they are in communication with said orifice.
The entrained air listens downstream along the grooves until the instant a rib of one rotors begins to fit into a 'cooperating groove of the other rotor h line d 'intersection 40 between the two bores of the lower or high pressure side, for
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thus initiate the compression phase of the cycle by the foundation of compression chambers in the form of chevrons made up of two parts of rotorised grooves, delimited at a
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end by the high pressure cheek of the body and at the other by the point of engagement of the rotors.
This last point propagates towards the high pressure cheek as the rotation of the two rotors oc continues, so that ta 1 and the volume of the compression chamber decïpls3 <snt '! Gr'o "- gradually, this volume ending by being reduced & er & j the contents of the chamber are then discharged through the high pressure orifice 24 during the final phase u cyoioTott discharge phase; This last phase can therefore be considered as an extension of the compression phase.
As one will understand it alt -., 6ment? the compression ratio obtained, a construction characteristic of the machine, depends mainly on the dimensions and
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of the shape of the outlet orifice, which terminates the y-olum of the compression chamber at the instant when it comes opposite this orifice. It is also understood that this rate can be modified by means of appropriate valves *, but the known artifices of this kind are of little importance for the present invention. It suffices to indicate that, as experience has proved, the present invention allows
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to obtain facilojneht, with a drunk compression stage, a rate of oompr,
J $ S 1cn having the advantageous value -and 'in .. about 8, noessaf.re for the supply These workshops in .. compressed air *
In dry compressors of the general type envisaged, the good efficiency depends mainly on-
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the narrowness of the games that can be practically achieved: and, above all, that one can maintain, in the sometimes very harsh conditions in which compressors of this kind, especially portable compressors, are called upon to work. These clearances have proved to be a very sensitive factor in the operation of dry compressors.
Based on the experience of a dozen liquid gear pumps, liquid seal sliding vane rotary compressors, - and other positive displacement fluid handling machines, it would seem logical to assume that most of the difficulties encountered in the field of dry compressors of the type in question could be reduced or overcome by the simple trick which would consist in injecting a sufficient quantity of a liquid such as a fluid oil or even water, to form a seal to seal the clearances which form the "space seal" of the dry compressor chambers.
Indeed, such an injection should result not only in improving the seals and preventing leakage from the compression chambers, but also in making it possible to appreciably increase the clearances in question while retaining the pressure. required sealing, due to the liquid and non-gaseous nature of the sealing fluid,
However, oxperantation has shown that these seemingly logical conclusions are nevertheless completely wrong.
The first experiments carried out showed that the injection of liquid was accompanied by a noticeable drop in efficiency compared to its share value, resulting in an increase in energy consumption for a flow. given compressed air.
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Analysis of these initial experiments showed that liquid injection required a complete overhaul of the design of compressor operation. In fact, given the density and viscosity much less fortoa liquids (also fluids and tenors.
be they) compared to gases, the losses due to the brazing of the liquid injected into the compression chambers or the presence of rotors meshing closely with each other and rotating at high speed, were so much greater than the doors due to the gas turbulence in the "space-packed" dry chambers, that the resulting net-loss far exceeded the possible improvement which would be coupled with a better seal by back filling. games by means of liquid.
In view of these initial conclusions, it would have seemed logical to admit that increasing the flow rate of the injected liquid would only increase the losses.
On the contrary, it has been observed that the inverse conclusion is true, provided that the flow rate of the liquid @ ist @ té present in relation to the speed of the rotor, - and to the said @. of compressed gas a certain relation which we will specify.
In fact, the Applicant has observed, in the first place, for the performance of the liquid injection compressor to be comparable, and even more so superior, to those of the dry compressor, it was necessary on the one hand that the injection of liquid takes place at a flow rate which far exceeds the value necessary and sufficient to supply the hydraulic seal, and it was necessary in dreary times to operate the compressors on a speed range, with regard to speed :
peripheral
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rotors, entirely different from that used for the compresscurs jucs, It further noted that in order to achieve the desired improvement there had to be a clearly defined relationship between the aforementioned factors.
Given the very variable conditions, with regard in particular on the one hand to the capacities, compression ratio, absolute and relative pressures, which may occur in compressors of the type envisaged, and on the other hand to the densities, specific heats, viscosities and other characteristics of the gas with which these compressors can be used ;. it is not possible in this Brief to present a full discussion of all the possible combinations of the above factors which may apply to a particular compressor constructed in accordance with the invention.
In what follows, we will limit ourselves to giving a ...) summary discussion of the conditions applicable in particular to the field of portable air compressors, a particularly important field in the technique and which will suffice to illustrate the principles of the invention. ion.
Tests carried out on a single-stage compressor delivering air below 7 kg / cm rel. (workshop pressure) with admission to atmospheric pressure, show that the optimum liquid injection flow rate varies according to certain construction peculiarities of the compressor, and that the results obtained by varying the flow rate d 'injection according to a well-defined quantitative law, as illustrated, without limiting intention, the graphs of fig. 3 and 4.
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The rod? 'Shows for train values of. debit? ## '- injection, the variations of the roundness-6n depending on the peripheral speed S of the rotors. The yield is expressed
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by the "specific power" Spec Pp e '$ at * a-dira la. then. aanco in horsepower needed to push back 1 '? of air at the above-mentioned pressure per minute. your curves A, B correspond respectively to three values of eb3, of .nc .. tion increasing, proportional to 1 # 1,, 60 'and 2.67. z
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The graphical oc curves putting! dyleonce several important points.
It is obvious first of all that there exists for each atinieet flow: .on speed dp *? -, I tlmale clearly defined, and that, dane loe P] Àeo de yitoBsoe useful around this optimal value at the end of the increase,
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of the injection rate reduces the specific gravity and therefore improves the roundness. We can find 3.a. cause of this "last observation" Jans the fact that the variations do 4 / v: being part ner, are by entraftrr dra bzz undesirable flow do not appear to involve variations' *> w proportional of the losses - by braosaigtit which demold ?> ## 'much more constant, while the increase in the injection flow rate increases the efficiency thanks to the direct and efficient 1'a.crat.fl, r. cooling.
The graph seems to suggest that by further increasing the infection rate one would further increase the optimum yield. This may well be the case, however, practical considerations will be involved to limit the maximum injection rate! in fact, beyond a certain value of the flow, the importance and the price of the installation of the pumping of the liquid compensate for the advantages which a new one could provide.
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gain on the ï "of 3 (ncnt. In the same way, with regard to the minimum flow, a safety limitation occurs
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adding glue relative to performance.
In practically all cases, in fact, the liquid used is of a combustible nature, most often a hydrocarbon such as a lubricating oil or the flow rate must then be sufficient to maintain the temperature of the machine, which tends to s' increase due to the heat of compression, lower than the ignition temperature of the liquid. In the case of ordinary reciprocating compressors employing the usual lubricants, approximately 125 "is considered to be the upper safety limit.
From fig. 3 It is also clear that for the best results, the injection rate of the liquid must have a good relation! determined downstream of the operating speed.
As is natural), the brazing losses increase with the peripheral linear speed, and if: the injection flow rate is too high for the speed to be used, the efficiency decreases. This 1 emerges well from the curves, where the curving corresponds to an injection flow rate equal to 160% of that to which curve A corresponds, and curve C to a standard flow rate at 267 - that for curve A, as well as 'we said it.
As indicated above, the optimal injection rate decreases as the peripheral speed increases.
The Applicant has determined that, in view of the optimum results, there must exist between the mass flow rates of the liquid and the gas a well-defined relationship, and numerous tests of the kind which led to the curves of FIG. 3, have shown that the optimal relationship that must exist between the operating speed and the flow rates, is represented
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table by a hyperbolic curve such as curve D of FIG. 4, where the MR ratio of the mass flow rates is represented as a function of the peripheral speed S.
Curve D has roughly the equation
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where 0 is a constant which, 8 being expressed in meters / sec, equals approximately 600.
Obviously, satisfactory results can be obtained in practice with mass flow rates deviating somewhat on either side from those given by curve D ensuring maximum efficiency; in certain cases, it may moreover happen that the consideration of other economic factors will predominate over the consideration relating to obtaining the maximum efficiency. It should therefore be understood that in accordance with the present invention, the constant C entering in the relation expressed by the equation above, the curve D may deviate from either side of the value (600) indicated as optimal, and that between the approximate limits 300 and 900.
In fig. 4, curves E and F correspond to these two values respectively. Curve E, lower limit of the usable margin according to the invention, corresponds to values for which the specific power reaches a sufficiently high value. high to make it preferable to use several decompression stages with Intermediate cooling; curve F, upper limit * corresponds to the values for which the ejection rate becomes so abundant that the necessary pumping installations become prohibitive.
It should also
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to note that the formula given above is considered to be applicable only for values of the flow-to-mass ratio MR greater than about 1.5 ounces, which will ensure the maintenance of maximum temperatures not exceeding the generally safe limits. accepted,
It is understood that various modifications of form and detail can be made without departing from the scope and spirit of the invention.