CA1237602A - Moteur volumetrique a rouleaux - Google Patents

Abstract

13 L'invention se rapporte à un moteur volumetrique à rouleaux recevant de l'énergie de n'importe quel type de fluide, liquide ou gazeux. Il est caractérisé en ce que : - dans chaque cellule, les lumières d'admission sont localisées entièrement a l'intérieur du lieu géométrique des contacts que chaque rouleau (9 à 11) peut avoir dans sa rainure pendant un tour complet du rotor quand ce rouleau se maintient par ailleurs en contact avec la surface statorique, - dans chaque cellule, les lumières d'échappement (14, 15) sont localisées entièrement a l'extérieur de ce même lieu géométrique, - dans chaque cellule, une admission (12 ou 13) et un échappement (14 ou 15) successifs dans le sens du mouvement du rotor (4) sont respectivement fermée et ouvert par la face de conduite (16) d'une rainure (8) et par le rouleau correspondant (10), - dans chaque cellule, chaque lumière d'échappement (telle que 14) est positionnée angulairement de manière que son ouverture se fasse par le rouleau opérant (10) au voisinage de la position de ce rouleau qui correspond à sa sortie maximale, - dans chaque cellule, chaque lumière d'admission (telle que 12) est positionnée angulairement de manière que sa fermeture et l'ouverture de l'échappement consécutif (14) se fassent simultanément, Application à l'industrie des moteurs volumétriques utilisés comme tels ou comme pompe à simple transfert voire même comme compresseur.

Description

L'invention a pour objet un moteur volumetrique a rouleaux recevant de l'energie de n'importe quel type de fluide, liquide ou gazeux.
Cette machine comporte au moins les elements et 5 dispositiions ci-apres :
- un stator constitue d'un corps tubulaire ("anneau statorique") et de deux flasques, l'anneau statorique ayant une surface interieure cylindrique (~'surface statorique") dont la directrice est appelee "courbe statorique", - un arbre en liaison rotolde avec le stator, - un rotor cale sur cet arbre, ayant une surface exterieure en forme de cylindre a directrice circulaire ("profil rotorique") et presentant nr rainures identiques, debouchant a la peripherie du rotor, angulairement equidistantes, limitees 15 lateralement par deux faces planes paralleles a un meme plan median, radial ou non, - des rouleaux cylindriques, en nombre nr guides dans les rainures du rotor de maniere 3 pouvoir rester en contact lineique avec la surface statorique et a constituer ainsi des 20 chambres de travail comprenant le volume limite par le rotor, le stator et deux rouleaux successifs, y compris une partie variable du volume des rainures ou se meuvent les deux rouleaux.
Nous appellerons "face de poussee " de la rainure la face sur laquelle le rouleau s'applique quand il entraîne le rotor, 25 et "face de conduite" la face sur laquelle il s'appuie quand il est entraine par le rotor, - une distribution du fluide par des lumieres disposees dans le stator et eventuellement equipees de clapets.
Nous dirons du moteur ainsi constitue qu'il comporte une 3~ seule "cellule" (moteur "monocellulaire"), en appelant cellule le volume compris entre le rotor, l'anneau statorique et les deux flasques.
La cellule ainsi definie est donc le volume dans lequel circulent et evoluent les chambres de travail.
Comme l'élancement axial des rouleaux est necessairement limite pour preserver la -qualite de leur guidage, il est necessaire, pour realiser un moteur de forte cylindree sans augmenter exagerement les dimensions transversales de la machine et les vitesses de glissement des rouleaux sur la surface statorique9 de pourvoir ce moteur de plusieurs cellules (moteur "multicellulaire").
Un moteur comportan~ des cellules en nombre k, comporte 5 necessairement k rotors cales sur le meme arbre ainsi qu'un stator constitue de k anneaux statoriques et de cloisons etanches en nombre ~k - 1), chacune d~elles separant deux cellules et les deux flasques jouant le role de çloisons d'extremité.
Des machines à rouleaux fonctionnant en pompes a liquide ont ete decrites, construites et sont utilisees ; elles presentent une distribution analogue a celle des machines à
palettes et des rouleaux ayant un jeu important dans leur rainure, le passage du rouleau d~une face a l'autre de la 15 rainure lui permettant de jouer un role d'organe de distribution interne, evitant en principe qu'un certain volu~e de liquide puisse, à un moment du cycle, se trouver enferme dans une chambre de travail dont le volume est en diminution.
Pratiquement, cette condition ne semble d'ailleurs pas 20 pouvoir être remplie parfaitement, ce qui se marque par des surpressions momentanees importantes (GB-A-2.028.430).
L'experience montre que ces pompes ne sont pas reversibles en moteur à liquide : lorsqu'on inverse leurs admissions et leurs echappements, le couple recueilli a l'arbre de la machine 25 evolue tres irregulierement en fonction de l'angle de rotation de l'arbre et même, pour certaines d'entre elles, s'inverse ~eriodiquement.
Les exigences de conception auxquelles est soumis un moteur volumetrique a rouleaux apparaissent donc comme beaucoup 30 plus severes que pour la pompe correspondante, surtout si le fluide avec lequel la machine echange de l'energie est un liquide : la pompe a rouleaux peut être utilisable avec d'importantes variations de couple à l'arbre, alors que le moteur est evidemment inviable dans les mêmes conditions.
C'est sans doute ce qui explique que des moteurs a rouleaux aient ete rarement decrits (US-A-2826179-KLESSIG) et plus rarement encore produits.industriellement.

Le moteur reven~ique par KLESSIG differe du rnoteur present@ ici par l'organisation de sa distributian, qui reste proche de celle d~un moteur à palettes : KLESSIG signale d'ailleurs que les @lements de conduite (driving elements) sont, 5 dans son moteur, indiff@remmen~ des palettes ou des rouleaux.
Les dispositions nouvelles du moteur objet de l'invention visent toutes à assurer une grande regularite du couple delivre.
Certaines de ces dispositions caracterisent l'organisation de chaque cellule, quel que soit le nombre de ces cellules dans 10 le moteur, d'autres sont particulieres aux moteurs multicellulaires.
Les premieres seront d@crites, par souci de clarte, en se referant au moteur monocellulaire.
Selon l'invention~ la viabilite d~un tel moteur repose sur 15 l'ensemble des quatre caracteristiques ci-apres, que le moteur doit presenter simultanement pour pouvoir delivrer un couple de regularite satisfaisante, en particu1ier lorsque le fluide auquel l'energie est prelevee est un liquide :
- la surface statorique pr@sente un ordre de symetrie egal 20 3 deux par rapport a son axe qui coïncide avec l'axe de rotation du rotor ; autrement dit, la courbe statorique presente un ordre de symétrie eaal 3 deux par rapport a son centre, qui colncide avec celui du profil rotorique, - le nombre de rainures du rotor (et donc de rouleaux) est 25 un nombre impair nr**, - chaque rouleau pr@sente 3 l'origine, dans sa rainure, le jeu minimal compatible avec son mouvement radial relatif, - la distribution se fait par des lum;eres successivement obturees et decouvertes par le rotor et les rouleaux, suivant 30 les modalites ori~inales decrites ci-apres.
La distribution comporte deux lumieres d'admission dans un flasque et deux lumières d'echappement dans l'autre flasque ou deux lumieres d'admission d@doublees sym@triquement dans les deux flasques de manière à assurer l'equilibre des efforts 35 axiaux dus au fluide sur le rotor et deux lumières d'echappement localisees dans l'anneau statorique.
. Ces lumières d'admission et d'echappement se localisent de manière differente par rapport au lieu geometrique decrit par les contacts qu'un rouleau peut avoir avec sa rainure pendant un ~our complet du rotor quand ce rouleau se maintient par ailleurs en contact avec la surface statorique. Le lieu géornétrique en question est consti~ue de l'ensemble de deux surfaces réglees très voisines, fermees sur elles-mêmes, correspondant 5 respectivement au contact avec la face de poussee et avec la face de conduite.
Dans les moteurs conformes a l'invention, les lumieres d'admission sont situees tout entieres a l'interieur de ce lieu géométrique, les lumieres d'échappement tout entieres a 10 l'exterieur de ce même lieu geométrique.
La premiere originalite de la distribution utilisant les lumieres ainsi localisées est la suivante : une admission et un echappement successifs dans le sens du mouvement du rotor sont nécessairement fermée et ouvert respectivement par la face de 15 conduite d'une rainure et par le rouleau correspondant. Cette organisation de la distribution diffère donc fondamentalement de celle d'une machine a palettes, ou une admission et un échappement successifs dans le sens du mouvement sont necessairement fermée et ouvert respectivement par deux palettes 20 successives delimitant une chambre de travail.
La deuxieme originalite de la distribution réside dans le fait que chaque lumiere d'echappement est localisee an~ulairement de maniere à être ouverte par le rouleau operant au moment ou celui-ci se trouve au voisinage de la position qui 25 correspond à son eloignement maximal de l'axe du rotor (a sa "sortie" maximale), et de preference exactement dans cette position.
Dans un moteur recevant son energie d'un liquide, chaque lumiere d'admission est en outre localisee angulairement de 30 maniere que sa fermeture par la face de conduite de la rainure du rouleau operant se fasse idealement en meme temps que l'ouverture de la lumiere d'echappement par le rouleau ; dans un moteur recevant son energie d'un fluide gazeux, la fermeture de l'admission peut, par un decalage angulaire approprie des 35 extremites des lumieres, preceder l'ouverture de l'ëchappement, de maniere a permettre une certaine detente du gaz admis.
La troisième origlnalite de la distribution porte sur les conditions d'ouverture de chaque lumiere d'admission : cette ouverture se fait par la face de poussee d'une rainure, et, en raison de la localisation de la lumiere d~admission, le fluide sous pression se trouve necessairement admis entre le fond de la rainure et le niveau du contac~ que le rouleau a, 3 cet instant, aYec sa rainure s'il est par ailleurs en contact a~ec la surface 5 statorique. Comme, jus~e avant l'ouverture de la lumiare d'admission, le rouleau est en principe entraîne, il tend a prendre appui sur la face de conduite de sa rainure: des dispositions doivent donc etre prises pour que l'écoulement du fluide à haute pression se fasse vers la chambre de travail en 10 expansion. Pour satisfaire pratiquement a cette condition, un canal ouvert est prevu dans la face de conduite de la rainure, de section suffisante pour que la resistance au passage du fluide par ce canal soit inferieure a celle qu'il rencontrerait au passage entre le rouleau appuye sur la face de conduite de sa lS rainure et la face de poussee de celle-ci, vers l'echappement ouvert dans l'entre-temps par le rouleau precedent.
Ce passage preferentiel doit etre encore assure quand, par suite d'usure, le rouleau a pris un certain jeu dans sa rainure.
Les moteurs a rouleaux conformes a l'invention 2n apparaissent en pratique comme assez peu sensibles a la forme locale de la courbe statorique pour autant que celle-ci soit continue : les differentes courbes d'allure generale elliptique que l'on utilise dans les machines 3 palettes donnent ici des resultats peu differents, et sont donc directement 25 transposables.
Lorsque le fluide porteur d'energie est un liquide, une zone de conformite entre la courbe statorique et le profil rotorique n'est pas indispensable, et l'on peut alors emprunter la courbe statorique a la technique des assemblages en utilisant 30 la courbe connue de longue date sous le nom de "Profil Polygon P~" : la surface statorique peut alors etre rectifiee par simple generation mecanique sur des machines connues.
Les paramètres à imposer a la géneration d'une surface cylindrique ayant pour directrice un profil Polygon P~ se 35 limitent au rayon moyen et a l'excentricite du profil : pour utiliser ce profil comme courbe statorique d'un moteur conforme a l'invention, il suffit d'imposer une excentricite egale a la moitie de la course maximale voulue pour les rouleaux et un rayon moyen egal a celui du profil rotorique majoré de la moitié
de la course maximale imposee aux rouleaux.
Le nombre des rouleaux est en principe quelconque, pour 5 autant qu'il soit impair, mais il est désavantageux que plus de deux rouleaux puissent être mis simultanément a l'admission dans chacune des demi-machines séparées par le plan principal de la surface statorique correspondant à sa plus petite courbure.
Ce résultat n'est acquis que si nr** ~ 7 ; l'experience 10 amene d'ailleurs a considérer comme optimal le nombre de rouleaux nr**= 7.
Il est opportun de minimiser le jeu que les rouleaux presentent à l'origine dans leur rainure pour satisfaire aussi ~acilement que possible, meme après une certaine usure, à la 15 condition imposée par la troisieme particularité de la distribution decrite ci-dessus.
On conçoit que l'usure des rouleaux puisse exercer une influence défavorable sur le fonctionnement du moteur quand elle devient très importante: il faut en tout cas choisir les 20 matériaux constitutifs des divers éléments de la machine de manière que l'usure des rouleaux soit aussi faible que possible.
On~ observera a ce propos que dans la machine consue conformément a ce qui précede, les rouleaux tournent spontanément sur eux-mêmes pendant les parties du cycle ou ils 25 sont entrainés par le rotor, ce qui tend a répartir automatiquement l'usure sur toute leur péripherie.
Lorsque le moteur doit être multicellulaire, il est evidemment opportun de tirer profit de l'existence de plusieurs cellules pour parfaire la regularité du couple délivre : quand 30 les cellules sont identiques, le nombre nr** de rouleaux guidés par chaque rotor étant impair, il faut pour atteindre ce but, organiser la machine de maniere a décaler successivement~ d'une cellule à l'autre, toujours dans le même sens à partir d'une cellule d'extrémité, les chambres de travail évoluant dans 35 chaque cellule d'un même angle ~ egal à1r/knr**.
Cet effet peut être obtenu en décalant angulairement les rotors sur leur arbre sans décaler les anneaux statoriques, ou en décalant angulairement les anneaux statoriques sans décaler les rotors, ou encore en combinant les deux possibilités.

~3~

On observera que si le nombre des cellules est pair, et si l'on groupe alternativement les lumieres de meme nom dans les voiles de separation successifs, les poussees axiales dues aux pressions du fluide sur les rotors s~equilibrent spontanement et 5 les paliers du moteur ainsi organise sont donc l~bres de tout effort axial dû au fluide.
Quand le moteur peut ou doit comporter au moins deux cellules identiques, on peut apporter une variante a l'invention, selon laquelle le nombre de rouleaux nr* guides 10 par chaque rotor est pair.
Si le moteur repondant à cette variante est bi-cellulaire, on ne peut alors obtenir une regularite suffisante du couple a l'arbre que si les chambres de travail evoluant dans chacune des cellules sont decalees d~un angle ~ suffisant, la plus grande 15 regularite etant obtenue pour ~ =~/nr* quand les cellules sont identiques.
L'interêt de cette variante reside dans le fait qu'a cause du nombre pair des rouleaux, la resultante radiale des pressions du fluide sur chaque rotor est nulle en permanence : il n'y a 20 donc aucun effort radial dû au fluide sur les paliers de la machine.
Si par surcroit, on localise dans la cloison de separation les lumieres de même nom, les poussees axiales sur les rotors peuvent être equilibrees aussi et les paliers sont alors 25 soustraits a tout effort dû au fluide.
Lorsque le nombre k de cellules identiques est superieur a deux, on obtient une regularite aussi grande que possible du couple a l'arbre en decalant successivement d'une cellule a l'autre, toujours dans le même sens a partir d'une cellule 30 d'extremité les chambres de travail evoluant dans chaque cellule d'un meme angle~= 21f/knr*.
Si le nombre k est pair, il est encore possible d'organiser la machine comme on l'a vu plus haut pour que les poussees axiales dues aux pressions du fluide sur les rotors 35 s'equilibrent spontanement.
On observera encore que, bien que conçues fondamentalement comme des machines motrices, les machines conformes a l'invention dans lesquelles la fermeture d'une admission et l'ouverture de l'echappement consecutif sont simultanees ou $~

quasi-simultanées, peuvent etre utilisees comme pompes a simple transfert, quel que soit le fluide pompe, si on les entraine par un moteur quelconque dans le sens inverse de la machine motrice;
les lumières d~admission et d~echappement se trou~/ant ainsi 5 inversees.
De telles pompes ne connaissent aucune surpression indesirable, meme lorsque le fluide pompe est un liquide, mais elles demandent pratiquement a etre munies d'un clapet anti-retour sur chacun des echappements.
On peut de la meme manière utiliser en compresseur pour fluide gazeux une machine conforme a l'invention dans laquelle il existe un decalage angulaire entre la fin d'une admission et le debut d'un echappement consecutif.
L'interet majeur que presentent les machines con~ormes a 15 l'invention, par rapport aux machines volumetriques comparables, resulte de la simplicite des ~ormes de leurs elements constitutifs : i1 est notamment possible de realiser la plupart d'entre eux par frittage et de minimiser les usinages ulterieurs.
En particulier, il est en principe possible, pour des applications difficiles, de realiser en neoce~amiques tous les elements du capsulisme soumis a l'usure abrasive.
Les figures 1 et 2 de la planche 1/1 decrivent dans la version monocellulaire un moteur conforme a l'invention, 25 recevant son energie d'un liquide.
La figure 1 est une coupe transversale du moteur ; cette coupe presente un centre de symetrie 0.
La figure 2 est une coupe axiale du moteur suivant le diedre dont la section normale par le plan de la figure 1 est la 30 ligne brisee AOB, les deux demi-coupes, correspondant respectivement à chacun des demi-plans du diedre, etant rabattues dans le plan axial dont la trace dans le plan de la figure 1 est la droite CD.
Le moteur comporte un stator constitue des flasques 1 et 35 2, ici realises en deux pieces, et d'un anneau statorique 3.
Le rotor 4 est cale sur l'arbre 5, en liaison rotolde avec le stator par l'intermediaire des roulements 6 et 7.

. , :.' ' -Le rotor, qui tourne dans le sens de la fleche présente sept rainures ~elles que 8~ guidant sept rouleaux tels que 9, 10 et 11.
Les deux lumières d'admission 12 et 13 sont localisées 5 dans le flasque 1 et les deux lumières d'echappement 14 et 15 dans le flasque 2.
Dans la position représentée du rotor, le rouleau 10, en fin de période de motricité, est sur le point d'ouvrir la lumière d'échappement 14, et la face de conduite 16 de sa 10 rainure est sur le point de fermer la lumiere d'admission 12 ;
le rouleau 9 est sur le point de devenir moteur et la lumiere d'admission 12 alimente déja la chambre de travail en expansion 17 par le canal ouvert 18 prevu dans la face de conduite de sa rainure.
Le rouleau 11, applique sur la face de poussee 19 de sa rainure est en pleine periode de motricite.
Tous les autres rouleaux sont entraines.
La courbe statorique 20 est ici un profil Polygon P2.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Moteur volumétrique à rouleaux, recevant de l'é-nergie de n'importe quel type de fluide, apte à fonctionner inver-sement en pompe ou en compresseur, comportant essentiellement :
- un stator (1 à 3) constitué d'anneaux statoriques (3) en nombre quelconque k, chacun de ces anneaux (3) présentant intérieurement une surface statorique cylindrique ayant une symétrie axiale d'ordre deux , de cloisons étanches séparant le volume intérieur limité par chaque anneau statorique des volumes correspondants limités par les anneaux voisins et de deux flasques jouant le rôle de cloisons d'extrémité, - un arbre en liaison (5) rotoïde avec ce stator (1 à 3), l'axe de cet arbre (5) coïncidant avec l'axe commun des surfaces statoriques, - des rotors (4) en nombre k calés sur cet arbre (5) et présentant un profil rotorique circulaire, ces k rotors formant avec le stator cloisonné k cellules séparées et chacun d'eux présentant un nombre nr de rainures (8) identiques, angulairement équidistantes, débouchant à la périphérie du rotor et limitées latéralement par deux faces planes parallèles (16, 19) dites face de conduite (16) et face de poussée (19), - des rouleaux (9 à 11) guides dans chacune de ces rainures (8) de manière a pouvoir rester en contact linéique avec la surface statorique correspondante et présentant à
l'origine dans leur rainure le jeu minimal permettant leur mouvement relatif, - deux lumières d'admission (12, 13) et deux lumières d'échappement (14, 15) par cellule, ces lumières situées dans le stator étant éventuellement équipées de clapets, ce moteur étant CARACTERISE en ce que :
- dans chaque cellule, les lumières d'admission sont localisées entièrement à l'intérieur du lieu géométrique des contacts que chaque rouleau (9 à 11) peut avoir dans sa rainure pendant un tour complet du rotor quand ce rouleau se maintient par ailleurs en contact avec la surface statorique, - dans chaque cellule, les lumières d'échappement (14, 15) sont localisées entièrement à l'extérieur de ce même lieu géométrique, - dans chaque cellule, une admission (12 ou 13) et un échappement (14 ou 15) successifs dans le sens du mouvement du rotor (4) sont respectivement fermée et ouvert par la face de conduite (16) d'une rainure (8) et par le rouleau correspondant (10), - dans chaque cellule, chaque lumière d'échappement (telle que 14) est positionnée angulairement de manière que son ouverture se fasse par le rouleau opérant (10) au voisinage de la position de ce rouleau qui correspond à sa sortie maximale, - dans chaque cellule, chaque lumière d'admission (telle que 12) est positionnée angulairement de manière que sa fermeture et l'ouverture de l'échappement consécutif (14) se fassent simultanément, - dans chaque cellule, l'ouverture de chaque lumière d'admission (telle que 12) se fait par la face de poussée d'une rainure (8), un canal ouvert (tel que 18) étant prévu dans la face de conduite de cette rainure pour canaliser l'écoulement du fluide vers la chambre de travail en expansion (17), - lorsque le nombre de rouleaux est un nombre pair nr*, le moteur est multicellulaire (k ? 2) et les chambres de travail évoluant dans chaque cellule sont décalées angulairement, - lorsque le moteur est monocellulaire (k = 1), le nombre de rouleaux est un nombre impair nr**.

2. Moteur volumétrique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que, dans chaque cellule, les lumières d'admission sont localisées dans une cloison et les lumières d'échappement dans l'autre cloison.

3. Moteur volumétrique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que, dans chaque cellule, les lumières d'admission sont dédoublées symétriquement dans les deux cloisons limitant la cellule, et les lumières d'échappement sont localisées dans l'anneau statorique.

4. Moteur volumétrique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que chaque lumière d'échappement (telle que 14) est positionnée angulairement de manière que son ouverture se fasse dans chaque cellule, exactement dans la position du rouleau opérant (10) qui correspond à sa sortie maximale.

5. Moteur volumétrique conforme à la revendication 1, recevant de l'énergie d'un fluide gazeux exclusivement, caractérisé en ce que, dans chaque cellule, est prévu un décalage de chaque fin d'admission (12, 13) par rapport au début de l'échappement (14, 15) consécutif, de manière a permettre, dans l'intervalle, une certaine détente du gaz admis.

6. Moteur volumétrique conforme à la revendication 1, dans lequel le nombre de rouleaux guidés par chaque rotor est un nombre pair nr*, caractérisé en ce que les k cellules sont identiques et en ce que les chambres de travail évoluant dans chacune de ces cellules sont décalées successivement, d'une cellule à la suivante, toujours dans le même sens a partir d'une cellule d'extrémité, d'un même angle .delta. égal à 21.pi./knr* (k > 2).

7. Moteur volumétrique conforme à la revendication 1, dans lequel le nombre de rouleaux guides par chaque rotor est un nombre impair nr**, caractérisé en ce que les k cellules sont identiques et en ce que les chambres de travail évoluant dans chacune de ces cellules sont décalées successivement, d'une cellule à la suivante, toujours dans le même sens à partir d'une cellule d'extrémité, d'un même angle .delta. égal à .pi./knr** (k > 2).