EP0225834B1

EP0225834B1 - Machine rotative à pistons et à barillet avec rotule central fixe

Info

Publication number: EP0225834B1
Application number: EP86420172A
Authority: EP
Inventors: Michel Drevet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-10-14
Filing date: 1986-06-26
Publication date: 1989-09-27
Also published as: NO165508C; US4815327A; DK486286D0; EP0225834A1; NO864069L; SU1514246A3; DK486286A; DE3665905D1; FR2588617A1; DK165063C; DK165063B; NO165508B; CA1307163C; FR2588617B1; NO864069D0

Description

La présente invention est relative à une machine rotative à pistons du type à barillet, plus particulièrement prévue pour refouler des fluides à haute pression, et notamment des liquides chargés.
On sait que des pompes de ce type sont couramment utilisées dans l'industrie minière ou dans l'industrie pétrolière, pour pomper des liquides chargés, tels que du pétrole, des boues liquides, des fluides de fracturation ou analogues. Les pompes de ce type sont couramment de grandes dimensions et prévues pour refouler le liquide avec un débit important, sous des pressions élevées, couramment supérieures à 200 bars.
Dans le cas particulier des exploitation pétrolières, il est en outre nécessaire qu'une pompe de ce type reste de dimensions relativement réduites, suffisamment pour permettre de la charger et de la transporter avec son moteur d'entraînement en une seule fois sur un camion. Le problème étant ainsi posé, on comprend que la tendance soit à réduire le poids et les dimensions hors tout de la pompe, tout en augmentant la pression à laquelle elle refoule le liquide.
Les solutions connues à ce jour sont décrites notamment dans FR-A 2 251 220, US-A 3 223 042 et FR A 2 211 090.
FR A 2 572 774, publié le 9.5.1986, a fait connaître une réalisation évitant certains inconvénients, en réalisant une machine rotative à barillet et à plateau incliné rotatif, dont l'embiellage permet d'augmenter la pression de refoulement du liquide, tout en réduisant le poids d'ensemble de l'appareil. A cette fin, il décrit une pompe à barillet comprenant un barillet fixe dans les alésages cylindriques duquel coulissent des pistons de refoulement dont chacun est relié par une bielle à un plateau incliné à mouvement rotatif louvoyant dont la face arrière est équipée d'un tourillon central d'entraînement orienté suivant un axe perpendiculaire à la face de poussée avant du plateau et comporte, en son centre, un palier sphérique dont la section méridienne circulaire correspond à un angle au centre supérieur à 180_° alors qu'à l'intérieur de ce palier sphérique est disposée une rotule sphérique fixe solidaire d'un bras ancré axialement dans le centre du barillet, si bien que la poussée du plateau en cours de fonctionnement est transmise directement au barillet par l'intermédiaire du palier sphérique travaillant à l'arrachement, et ceci sans faire intervenir la résistance des parois du carter notamment dans sa partie arrière.
Une machine similaire a été divulguée par FR-A 2 251 220. En pratique, on constate que cette technique connue présente encore des inconvénients. En effet, le carter extérieur de la pompe assure la transmission des efforts de poussée entre les butées arrière du plateau rotatif oscillant et le barillet dans les cylindres duquel le liquide est refoulé par les pistons. Autrement dit, plus la pression de refoulement du liquide est élevée, plus les efforts transmis par le carter sont importants et plus ce carter doit donc être largement dimensionné et lourd. Les pompes connues à ce jour ont ainsi atteint une limite au-delà de laquelle il n'est plus possible d'augmenter la pression du liquide sans augmen-ter le poids et l'encombrement de l'ensemble qui devient alors intransportable par camion.
Par ailleurs, FR-A 2 211 090 a fait connaître un mécanisme à barillet comprenant, à l'intérieur d'un carter, un arbre moteur entraîné en rotation autour de son axe, tourillonnant dans deux paliers supportés respectivement par deux fonds du carter perpendiculaires à l'axe, et sur lequel est fixé un plateau oblique par rapport à l'axe, un barillet s'appuyant sur le plateau oblique et centré, autour d'un axe coupant l'axe de tourillonnement, sur une portée cylindrique inclinée ménagée sur l'arbre, perpendiculairement au plateau, et un moyen de blocage en rotation du barillet, caractérisé par le fait que les deux fonds du carter sont reliés par un tirant s'étendant le long de l'axe de tourillonnement, dans un alésage axial de l'arbre moteur.
Dans cette réalisation, il n'est cependant pas possible d'obtenir les avantages du FR-A 2 251 220.
Il en est de même de la réalisation suivant US-A 3 223 042 qui montre un axe logé dans la partie avant et arrière du carter et sur lequel est montée une rotule. En effet, dans cette publication, la rotule est coulissante.
La nouvelle disposition selon l'invention supprime la position en porte à faux de la rotule centrale, ce qui empêche la rupture de l'arbre de support de cette rotule, rupture pouvant être causée par l'influence de la fatigue due aux fortes charges tournantes.
Conformément à l'invention, la machine rotative à pistons et à barillet comprenant un plateau de poussée incliné par rapport à son axe géométrique de rotation qui coïncide avec l'axe géométrique du barillet, la partie centrale du plateau incliné comportant un palier sphérique qui tourne librement autour d'une rotule centrale fixe solidaire d'un premier demi-arbre ancré directement dans la partie centrale du barillet, alors que celui-ci est relié à un carter périphérique rigide qui coiffe l'arrière de l'embiellage derrière lequel il se referme, est caractérisée en ce que la rotule centrale est par ailleurs solidaire d'un second demi-arbre rigide situé à l'opposé du premier avec lequel il est aligné sur l'axe, ce second demi-arbre étant, par son extrémité opposée, rigidement ancré sur la partie arrière du carter de la machine.
Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention.

La fig. 1 est une coupe axiale d'une pompe hydraulique à barillet selon l'invention.
La fig. 2 est une vue analogue, montrant à grande échelle, le détail de l'embiellage dont les deux demi- plateaux inclinés sont assemblés à la position qui confère aux pistons la course maxima.
La fig. 3 est une coupe analogue, les deux demi- plateaux étant assemblés, cette fois, à la position de course nulle.
La fig. 4 montre une variante où un vérin hydraulique annulaire équipe l'arrière du carter pour la mise sous précontrainte de tension du second demi-arbre supportant la rotule centrale.

On a représenté sur les dessins, une pompe à barillet qui comprend:

- un barillet fixe 61 dans les alésages 62 duquel des crosses ou des pistons 64 coulissent suivant un mouvement alternatif;
- un plateau incliné 67 dont l'axe géométrique 82 forme un un angle aigu 83 avec l'axe géométrique 7 du bariiiet 61 ;
- des bielles 65 dont chacune possède deux extrémités sphériques 9 et 10 pour assurer la liaison entre chaque crosse ou piston 64 et le plateau à mouvement louvoyant 67;
- un pignon de commande 90 axé sur l'axe géométrique 7 autour duquel il tourne;
- un engrenage latéral 91 qui engrène avec la de- riture du un pignon 90 et dont l'arbre 92 est entraîné par un motoréducteur non représenté.

L'invention s'applique en particulier aux compresseurs, pompes ou moteurs hydrauliques à pistons axiaux pour des fluides chargés.
Suivant la fig. 1, le carter 30 de la pompe est partagé en deux parties munies l'une 57 d'une bride 58, l'autre 59 d'une contrebride 60 pour les raccorder l'une à l'autre, ces deux brides étant circulaires et centrées sur l'axe 7 de la machine, ce qui permet de décaler par crans leur positionnement angulaire relatif. On peut ainsi choisir à volonté la position angulaire de l'arbre d'entraînement autour de l'axe géométrique 7 de la machine.
Aux fig. 1 à 4, on a représenté une machine tournante, par exemple une pompe, comportant un barillet fixe 61, dans lequel sont disposés des alésages 62 parallèles entre eux, et répartis autour de l'axe géométrique 7 de l'ensemble. Dans chaque alésage 62, coulisse un piston 64, dont la bielle 65 prend appui, par un coussinet 66, sur un plateau incliné oscillant 67. Ce plateau porte, en son centre, un palier sphérique 68, 69 et est engagé autour de la sphère d'une rotule fixe 70.
Selon l'invention, la rotule fixe 70 est solidaire d'un premier demi-arbre 71 et d'un second demi-arbre 72 entre lesquels elle se trouve. Les deux demi-arbres 71 et 72 sont alignés l'un avec l'autre, de part et d'autre de la rotule 70, tous deux centrés sur l'axe longitudinal 7 de la machine. Les deux demi-arbres 71 et 72 peuvent quelquefois ne former qu'un seul arbre rigide et monobloc.
Le premier demi-arbre 71 est encastré dans la partie centrale du barillet 61.
Le second demi-arbre 72 est solidaire de la partie arrière 59 du carter fixe 30 de la machine.
Plus particulièrement, le second demi-arbre 72 se prolonge vers l'arrière, par une tige filetée 74, qui traverse librement un orifice central 76 du couvercle arrière 75. Un écrou 77 vissé sur la tige filetée 74 à l'extérieur du couvercle 75 permet de fixer le second demi-arbre 72 en vue de rigidifier le carter 30.
De même, on prévoit sur le premier demi-arbre 71, à proximité de la rotule 70, un épaulement 78 qui prend appui sur la face intérieure du barillet 61 alors qu'à l'avant de ce même barillet, le demi-arbre 71 se prolonge par une tige filetée 79, sur laquelle on peut visser plus ou moins un écrou 80. La périphérie de cet écrou prenant appui sur la face avant du barillet 61, on comprend qu'en agissant sur l'écrou 80, on puisse reprendre sur la face avant du barillet les efforts de traction auxquels le premier demi-arbre 71 sera, lui aussi, soumis.
La partie centrale du demi-arbre 71 est disposée dans un alésage central 81 du barillet 61, où elle peut librement coulisser dans le sens longitudinal.
La face avant de poussée du plateau 67 est perpendiculaire à un axe géométrique 82 qui forme avec l'axe géométrique 7, un angle aigu 83. Ces deux axes géométriques 7 et 82 convergent vers le centre 90 de la rotule sphérique 70. Le plateau 67 tourne autour de l'axe géométrique 82 et, pour cela, sa face arrière prend appui par une butée à rouleaux conique 84 sur un transmetteur de mouvement 85. Ce dernier prend à son tour appui par une butée à rouleaux 86 sur le couvercle arrière 75 du carter 30. Ce couvercle arrière 75 du carter 30 est vissé sur le carter 30 avec interposition d'une cale d'épaisseur annulaire 87 dont l'épaisseur 88 peut être choisie à volonté, en fonction des précharges désirées.
Le transmetteur de mouvement 85 est traversé, dans sa partie centrale, par un alésage longitudinal 89, à l'intérieur duquel peut librement se déplacer le second demi-arbre 72.
Sur sa périphérie, le transmetteur de mouvement 85 est équipé d'un pignon denté 90, centré sur l'axe géométrique 7. Ce pignon 90 engrène sur un pignon de commande 91, de plus petit diamètre, qui est situé latéralement dans le carter 30, solidaire d'un arbre de sortie tournant 92, disposé à l'extérieur. L'axe géométrique 93 de cet arbre de sortie 92 est parallèle à l'axe géométrique 7. Une masselote d'équilibrage 94 est fixée sur le pignon 90 par des vis 95.
Enfin, une biellette latérale 96 est articulée par l'une de ses extrémités 97 (fig. 1) dans un palier 98, solidaire du plateau 67 qui est ainsi immobilisé en rotation.
On comprend que l'embiellage ainsi représenté, et notamment la structure du transmetteur de mouvement 85, présentent l'avantage de permettre la mise en compression axiale des butées à rouleaux 84 et 86, grâce à la cale d'épaisseur 87 qui est comprimée par le couvercle arrière 75, lui-même fixé sur le fond du carter 30, par des vis 99 et par l'écrou 77.
En particulier, on étudie soigneusement l'épaisseur 88 de la cale 87, en vue d'appliquer sur les butées 84 et 86 une précharge qui sera encaissée par la partie des demi-coussinets 68 et 69 située à gauche du plan diamétral transversal théorique 100 défini par la rotule sphérique 70. Cette précharge viendra donc soulager l'autre partie des demi-coussinets 68 et 69, qui est située à droite du plan théorique 100 et reçoit des efforts de poussée exercés par les pistons 64. Ainsi, on garantit tout autour de la calotte sphérique des demicoussinets 68 et 69 une bonne répartition des pressions spécifiques qui apparaissent au cours du fonctionnement de la machine. Un choix judicieux sera par exemple de calculer l'épaisseur 88 de la cale 87 de sorte que les contraintes à droite et à gauche du plan transversal 100 induisent des pressions égales sur la calotte sphérique du palier central 68, 69. Si cette condition est réalisée on dira que la machine comporte en son centre une "butée flottante" étant donné qu'à cette position d'équilibre la butée sphérique (palier 68, 69 sur la rotule 70) est en charge axiale nulle.
Dans la réalisation de la fig. 4, la précharge de compression axiale des butées 84, 86 s'effectue, non plus par l'intermédiaire de la cale d'épaisseur 87 et du chapeau 75 (fig. 1) mais en utilisant un chapeau de retenue 101, qui vient se fixer sur le carter 30 par les vis 99 mais à l'intérieur duquel peut coulisser un piston hydraulique annulaire 102. Ce dernier est pourvu de deux joints d'étanchéité annulaires, à savoir un joint intérieur coulissant 103 et un joint extérieur 104, également coulissant. L'espace moteur 105 qui reste situé entre le piston annulaire 102 et le fond du chapeau 101 reçoit par une ouverture d'alimentation 106, un fluide hydraulique sous pression schématisé par la flèche 107. L'ensemble est calculé de façon que la course minima du vérin 102, 105 corresponde à un point de serrage mécanique minimum permanent sur la rotule de la butée 86.
Cette réalisation permet de relier la pression d'utilisation de la pompe ou du compresseur que constitue la machine à barillet à la pression exercée par l'espace 105 sur le piston 102. Un choix judicieux de la surface utile de ce piston 102 permettra de contrôler l'effort appliqué sur les butées 84 et 86, et donc sur le coussinet sphérique 68, 69 de manière à obtenir en permanence:

- soit la condition de "butée flottante" pour la rotule 70;
- soit tout rapport désiré entre les poussées exercées sur cette rotule 70 de part et d'autre du plan théorique 100.

Dans la vue partielle des fig. 2 et 3, le transmetteur de mouvement 85 de la fig. 1 est réalisé sous la forme de deux demi-transmetteurs 108 et 109, chacun à profil en coin. Autrement dit, la face d'appui plane 110 suivant laquelle ils sont en contact l'un avec l'autre, est perpendiculaire à un axe théorique 111 passant par le centre géométrique 112 de la rotule 70, cet axe 111 formant avec l'axe géométrique 7, un angle 113 égal à la moitié de l'angle 23, et qui correspond à l'axe 22. Des vis 114, régulièrement réparties en cercle autour de l'axe 111, permettent d'assembler les deux demi-transmetteurs 108 et 109.
On comprend qu'en choisissant leurs positions angulaires relatives autour de l'axe 111, avant de les visser à l'aide des vis 114, on puisse définir la longueur de la course désormais imposée aux pistons 64, pour toute valeur intermédiaire entre:

- la course maxima correspondant à la position illustrée sur la fig. 2 (la zone la plus mince 115 du demi-transmetteur 109 est alors en appui sur la zone du demi-transmetteur 108 qui est situé le plus en arrière le long de l'axe 3);
- la position de course nulle, obtenue par décalage de 180_° par rapport à la position de la fig. 2, de façon à orienter la face avant 116 du plateau de poussée 4, perpendiculairement à l'axe géométrique longitudinal 7.

Dans une version plus élaborée on utilise un dispositif de contrôle continu, avec commande extérieure de la position des deux demi-transmetteurs de mouvement 108 et 109.

Claims

1. Machine rotative à pistons (64) et à barillet (61) comprenant un plateau de poussée (67) incliné par rapport à son axe géométrique de rotation (7) qui coïncide avec l'axe géométrique du barillet (61), la partie centrale du plateau incliné (67) comportant un palier sphérique (68, 69) qui tourne librement autour d'une rotule centrale fixe (70) solidaire d'un premier demi-arbre (71) ancré directement dans la partie centrale du barillet (61), alors que celui-ci est relié à un carter périphérique rigide (30) qui coiffe l'arrière de l'embiellage derrière lequel il se referme, caractérisée en ce que la rotule centrale (70), est par ailleurs solidaire d'un second demi-arbre rigide (72) situé à l'opposé du premier (71) avec lequel il est aligné sur l'axe (7), ce second demi-arbre (72) étant par son extrémité opposée, rigidement ancré sur la partie arrière (75) du carter (30) de la machine.

2. Machine rotative suivant la revendication 1, caractérisée en ce que des moyens de précharge (87, 99, 102) du palier sphérique (68, 69) sont disposés entre l'arrière du carter (30) et les butées à rouleaux (86, 84) qui prennent appui sur le palier sphérique par l'intermédiaire du transmetteur de mouvement (85).

3. Machine rotative suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les deux demi-arbres (71, 72) équipés respectivement des écrous (80 et 77) permettent la reprise des efforts de traction sur la face avant du barillet (61) et donc contribuent à la parfaite rigidité du carter (30) pendant le fonctionnement de la machine.

4. Machine rotative suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de précharge de la butée sphérique sont constitués par l'utilisation d'une cale d'épaisseur (87) dont on choisit l'épaisseur (88) et qu'on intercale entre un couvercle amovible (75) et l'arrière du carter (30) en vue d'exercer une compression prédéterminée sur la butée à rouleaux (86).

5. Machine rotative suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de précharge de la butée sphérique utilisés sont constitués par l'interposition entre le fond fixe de l'arrière du carter (30) et une butée à rouleaux (86) sur laquelle prend appui l'arrière du plateau rotatif incliné (67), d'un cylindre hydraulique annulaire coaxial (102, 105).

6. Machine rotative suivant la revendication 5, caractérisée en ce que l'alimentation du vérin de précontrainte (102, 105) est assurée en fluide sous pression par une canalisation (106) qui le relie à la pression de refoulement fournie par la machine, dans le cas où celle-ci est une pompe ou un compresseur.

7. Machine rotative suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le plateau rotatif incliné (67) prend appui sur un transmetteur de mouvement (85) réalisé par assemblage de deux demi-transmetteurs (108, 109) superposés ayant chacun un profil en coin, des moyens (114) étant prévus pour fixer l'un sur l'autre, de façon amovible, les deux demi-transmetteurs en coin (108, 109) dont l'orientation angulaire relative a été choisie en fonction de la course désirée pour les pistons (64) de la machine à barillet, le réglage pouvant aller de la course maxima (fig. 2) à la course nulle (fig. 3).

8. Machine rotative suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le demi-arbre avant (71) traverse librement un alésage axial longitudinal (81) du barillet (61) sur la face antérieure duquel il prend appui par un épaulement (78) alors que son extrémité avant se termine par une tige filetée (79) sur laquelle est vissé un écrou (80) permettant de régler la charge de traction à laquelle le demi-arbre (71) est soumis quand l'écrou (80) est en appui sur la face avant du barillet (61).

9. Machine rotative suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux demi-arbres (71 et 72) sont fabriqués séparément, puis assemblés.

10. Machine rotative suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les deux demi-arbres (71, 72) sont fabriqués d'une seule pièce.