EP0736691A1 - Pompe volumétrique rotative à gerotor à alimentation radiale - Google Patents

Pompe volumétrique rotative à gerotor à alimentation radiale Download PDF

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EP0736691A1
EP0736691A1 EP95200845A EP95200845A EP0736691A1 EP 0736691 A1 EP0736691 A1 EP 0736691A1 EP 95200845 A EP95200845 A EP 95200845A EP 95200845 A EP95200845 A EP 95200845A EP 0736691 A1 EP0736691 A1 EP 0736691A1
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crown
gear
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Techspace Aero SA
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or pumps
    • F04C2/084—Toothed wheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/102—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member the two members rotating simultaneously around their respective axes

Definitions

  • the invention relates to a rotary positive displacement pump with internal gear of the so-called gerotor or trochoid type and comprising a radial supply.
  • Figures 1 and 2 show a known example of a gerotor pump without radial supply, according to a schematic representation of the embodiment.
  • the fluid is sucked in, then discharged through cavities called capsules 1 of cyclically variable volume, created between the teeth 2 and 3 of the pinion 4 and the crown 5. of a special internal gear.
  • the fluid is admitted and discharged through the cross section of the capsules 1 into the end planes of the gear, perpendicular to the axis thereof, following the passage of these capsules 1 in front of basins or lights 6 of suitable shape, cut in the fixed flat surfaces surrounding the gear and belonging to parts called flanges 7.
  • the pools cut in the flanges must have an axial depth proportional to the axial height of the pump, which increases the size of the pump in the axial direction.
  • the overall movement of the fluid passing through the pump involves numerous changes of direction, generating energy and pressure losses.
  • Figures 3 and 4 show an example of such an embodiment according to which radial channels 10, of more or less complex shape are drilled in the outer ring 15, allowing the capsules 11 to be fed in a radial direction, from basins 16 of adequate shape hollowed out in the bore surrounding the outer ring 15. This makes it possible to increase the intake section.
  • the volume generated by these channels constitutes a large dead volume, which greatly degrades the performance of the pump, in particular the self-priming capacity and the volumetric efficiency with a compressible fluid.
  • the object of the invention is to produce a rotary positive displacement pump with internal gears, of the so-called gerotor type, meeting needs going beyond the limits imposed by an axial feed design, without incurring the drawbacks of the known prior arrangements which have been proposed.
  • a pump of this type and meeting these conditions is characterized in that a first external diameter of the external crown is reduced to the value of the theoretical diameter at the bottom of the teeth of said crown, on a part of the height of the crown, so as to create openings between the teeth of the crown and said crown further comprising at least one continuous ring connecting and carrying the teeth of the crown, so as to ensure a radial supply of said pump, through the spaces between the teeth of the outer ring.
  • said outer ring includes a continuous ring having a second outside diameter greater than said first outside diameter.
  • the toothing profile of the outer crown is asymmetrical and the radius is variable along said profile and has a lower value at the back of a tooth and a higher value at the front of the tooth, front and rear being defined with respect to the direction of movement of the rotating gear, the toothing profile of the internal pinion being conjugated with said external crown profile.
  • FIGS. 5 to 8 A gerotor positive displacement pump produced in accordance with the invention is shown diagrammatically in FIGS. 5 to 8.
  • the pump elements include an internal gear 20 composed of an internal pinion 21 rotated by a shaft 22 and an external ring 23 with internal toothing 24 cooperating with said pinion 21, placed inside a casing in two parts 25 and 26 and the whole mounted between two flanges 27 and 28.
  • the outer ring 23 has teeth 29 separated by spaces 30 constituting open passages between said teeth 29 and extending over a portion 31 of the height of said crown.
  • the complementary part 32 of the ring gear 23 is formed of a continuous ring 33 whose outer diameter D2 is greater than the outer diameter D1 of the part 31.
  • the ring 33 thus connects and carries the teeth 29. Said ring 33 also constitutes the effective guide surfaces for mounting the toothed crown 23.
  • the single ring 33 as shown in FIGS. 5, 6 and 7 can be replaced by two or more rings, provided that the open passages 30 made between the teeth 29 are kept.
  • the diameter of said ring or its arrangement of one side or the other of the teeth may also vary.
  • a first lateral inlet opening 34 made on the casing 25 allows the supply of fluid to be conveyed which, through the radial passages 30, arrives at the cavities or capsules 35 formed between the teeth to reach, again through the radial passages 30, a second lateral outlet opening 36 formed opposite to the first opening 34 on the casing 25.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment with six teeth
  • FIG. 11 an exemplary embodiment with four teeth.
  • the fictitious embodiment illustrated in FIG. 9 representing examples of teeth of an internal pinion 40 and an external ring 41 with internal teeth shows the criteria used for the determination of an asymmetrical profile of teeth according to the invention.
  • the solution according to the invention consists in producing an asymmetrical toothing profile, as shown in FIGS. 10 and 11, where the radius of an arc of a circle is variable along the profile.
  • the radius R1 of the arc corresponding to the profile is very small while , at the front of the tooth, the radius R2 of the arc corresponding to the profile is very large.
  • a sufficient space between two teeth is opened to ensure a suitable radial feed section and a sufficient angle of attack a of teeth is obtained, in particular between 20 and 30 degrees, which makes it possible to tilt.
  • the advantages obtained by means of the production of a gerotor pump in accordance with the invention are due to the minimization of the dead volume and the minimization of the centripetal path and of the mass of fluid subjected to centrifugal force, thanks the reduction of the outside diameter of the outside ring to achieve the radial passage between the teeth of said ring.

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Abstract

Dans une pompe volumétrique rotative à gerotor un premier diamètre extérieur D1 de la couronne extérieure (23), sur une part (31) de la hauteur, est réduit jusqu'à la valeur du diamètre théorique à fond de denture, les dents (29) de la couronne (23) étant reliées et portées par un anneau continu (33), de manière à assurer une alimentation radiale de la pompe à travers les espaces (30) ménagés entre les dents (29) de la couronne (23). Une disposition de profil dissymétrique des dentures peut être adjointe. <IMAGE>

Description

  • L'invention concerne une pompe volumétrique rotative à engrenage intérieur du type dit à gerotor ou trochoïde et comportant une alimentation radiale.
  • Les figures 1 et 2 montrent un exemple connu de pompe à gerotor sans alimentation radiale, suivant une représentation schématique du principe de réalisation.
  • Dans ce cas, le fluide est aspiré, puis refoulé par des cavités dites capsules 1 de volume cycliquement variable, créées entre les dents 2 et 3 du pignon 4 et de la couronne 5. d'un engrenage intérieur spécial.
  • Généralement, le fluide est admis et refoulé au travers de la section droite des capsules 1 dans les plans d'extrémité de l'engrenage, perpendiculaires à l'axe de celui-ci, suite au passage de ces capsules 1 en face de bassins ou lumières 6 de forme adéquate, taillés dans les surfaces planes fixes entourant l'engrenage et appartenant à des pièces dénommées flasques 7.
  • L'aspiration et le refoulement se font donc dans une direction axiale, parallèle à l'axe A de l'engrenage.
  • Cette disposition a plusieurs inconvénients rappelés ci-après.
    La surface nette offerte au fluide lors de l'aspiration est strictement limitée à la surface de la section droite des capsules, indépendamment de la hauteur axiale de la pompe ; on ne peut donc pas augmenter la cylindrée de la pompe en augmentant la hauteur axiale, au delà d'une certaine limite pour laquelle la section en question devient insuffisante par rapport au débit, et provoque une cavitation précoce.
  • En outre, les bassins taillés dans les flasques doivent avoir une profondeur axiale proportionnelle à la hauteur axiale de la pompe, ce qui augmente l'encombrement de la pompe dans le sens axial. Enfin, le mouvement global du fluide traversant la pompe comporte de nombreux changements de direction, générateurs de pertes d'énergie et de pression.
  • Pour remédier partiellement à ces inconvénients, certains aménagements ont été proposés. Les figures 3 et 4 montrent un exemple d'une telle réalisation selon laquelle des canaux radiaux 10, de forme plus ou moins complexe sont percés dans la couronne extérieure 15, permettant l'alimentation des capsules 11 dans une direction radiale, à partir de bassins 16 de forme adéquate creusés dans l'alésage entourant la couronne extérieure 15. Ceci permet d'augmenter la section d'admission.
  • Cette solution présente cependant encore quelques inconvénients. La réalisation des canaux radiaux reste délicate. La section de ces canaux reste souvent petite par rapport à la surface d'alimentation axiale classique, qui reste nécessaire, et la hauteur axiale de la pompe reste limitée.
  • En outre le volume engendré par ces canaux constitue un volume mort important, qui dégrade fortement les performances de la pompe, notamment la capacité d'auto-amorçage et le rendement volumétrique avec un fluide compressible.
  • De plus, le fluide présent dans ces canaux est soumis à une force centrifuge importante qui s'oppose au remplissage et limite fortement l'efficacité de l'alimentation radiale.
  • Le but de l'invention est de réaliser une pompe volumétrique rotative à engrenages intérieurs, du type dit gerotor répondant à des besoins allant au-delà des limites imposées par une conception à alimentation axiale, sans encourir les inconvénients des aménagements connus antérieurs qui ont été proposés. Une pompe de ce type et répondant à ces conditions est caractérisée en ce que un premier diamètre extérieur de la couronne extérieure est réduit jusqu'à la valeur du diamètre théorique à fond de denture de ladite couronne, sur une part de la hauteur de la couronne, de manière à créer des ouvertures entre les dents de la couronne et ladite couronne comportant en outre au moins un anneau continu reliant et portant les dents de la couronne, de manière à assurer une alimentation radiale de ladite pompe, à travers les espaces ménagés entre les dents de la couronne extérieure.
  • De manière avantageuse, ladite couronne extérieure comporte un anneau continu présentant un second diamètre extérieur supérieur audit premier diamètre extérieur.
  • De manière encore remarquable et conforme à l'invention, le profil de denture de la couronne extérieure est dissymétrique et le rayon est variable le long dudit profil et présente une valeur plus faible à l'arrière d'une dent et une valeur plus élevée à l'avant de la dent, avant et arrière étant définis par rapport au sens de déplacement de l'engrenage en rotation, le profil de denture du pignon intérieur étant conjugué avec ledit profil de couronne extérieure.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre des modes de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • La figure 1 précédemment décrite représente une vue schématique en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'engrenage d'une pompe volumétrique rotative à engrenage intérieur du type gerotor, selon une réalisation classique connue antérieure ;
    • la figure 2 précédemment décrite représente une vue schématique en coupe par un plan passant par l'axe de rotation suivant la ligne II II de la figure 1 de la pompe représentée sur la figure 1 ;
    • la figure 3 précédemment décrite représente selon une vue schématique analogue à celle de la figure 1 une pompe à gerotor comportant un exemple d'aménagement connu en soi ;
    • la figure 4 précédemment décrite représente une vue selon la flèche F de la figure 3 montrant la couronne extérieure de ladite pompe ;
    • la figure 5 représente une vue de face de la couronne extérieure d'une pompe volumétrique à gerotor conforme à un mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 6 montre ladite couronne extérieure suivant une vue en coupe par un plan passant par la ligne VI VI de la figure 5 ;
    • la figure 7 représente selon une vue schématique éclatée en perspective une pompe volumétrique à gerotor suivant un mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 8 représente, selon une vue analogue à celle des figures 1 et 3 en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe de rotation dans une zone médiane, la pompe à gerotor représentée sur la figure 7 ;
    • la figure 9 représente selon une vue en coupe analogue à celle des figure 1, 3 ou 8 deux exemples fictifs de profils de denture de pompe à gerotor, montrant l'influence des critères de détermination d'un profil de denture ;
    • la figure 10 représente selon une vue en coupe analogue à celles des figures 1, 3 ou 8 un exemple de réalisation de pompe à gerotor à six dents, à profil de denture conforme à l'invention ;
    • la figure 11 représente de manière analogue à la figure 10 un exemple de réalisation de pompe à gerotor à quatre dents, à profil de denture conforme à l'invention.
  • Une pompe volumétrique à gerotor réalisée conformément à l'invention est représentée schématiquement sur les figures 5 à 8. Les éléments de pompe comprennent un engrenage intérieur 20 composé d'un pignon intérieur 21 entraîné en rotation par un arbre 22 et d'une couronne extérieure 23 à denture intérieure 24 coopérant avec ledit pignon 21, placé à l'intérieur d'un carter en deux parties 25 et 26 et le tout monté entre deux flasques 27 et 28. De manière remarquable et conforme à l'invention, la couronne extérieure 23 comporte des dents 29 séparées par des espaces 30 constituant des passages ouverts entre lesdites dents 29 et s'étendant sur une partie 31 de la hauteur de ladite couronne. Par rapport à une couronne classique de gerotor d'un type connu en soi antérieur, ce résultat est obtenu en réduisant sur ladite partie 31 de couronne le diamètre extérieur D1 de la couronne 23 jusqu'à une valeur juste supérieure et proche du diamètre minimal théorique à fond de denture de la couronne dentée. Sur la partie 31 de la couronne 23, les dents 29 apparaissent ainsi séparées. Suivant l'exemple de réalisation représenté sur les figures, la partie complémentaire 32 de la couronne dentée 23 est formée d'un anneau continu 33 dont le diamètre extérieur D2 est supérieur au diamètre extérieur D1 de la partie 31. L'anneau 33 relie ainsi et porte les dents 29. Ledit anneau 33 constitue également les surfaces de guidage efficaces pour le montage de la couronne dentée 23.
  • En variante de réalisation, l'anneau unique 33 tel que représenté sur les figure 5, 6 et 7 peut être remplacé par deux anneaux ou plus, à condition de conserver les passages ouverts 30 ménagés entre les dents 29. Le diamètre dudit anneau ou sa disposition d'un côté ou l'autre de la denture peuvent également varier.
    Le fonctionnement de la pompe volumétrique à gerotor conforme à l'invention se déduit de la description de réalisation qui vient d'être faite et notamment en référence aux figures 7 et 8. Une première ouverture latérale d'entrée 34 ménagée sur le carter 25 permet l'alimentation en fluide à véhiculer qui, à travers les passages radiaux 30, arrive aux cavités ou capsules 35 ménagées entre les dentures pour atteindre, à nouveau à travers les passages radiaux 30 une seconde ouverture latérale de sortie 36 ménagée à l'opposé de la première ouverture 34 sur le carter 25. On obtient ainsi une section d'alimentation radiale de la pompe supérieure à la section d'alimentation axiale habituellement utilisée sur une pompe à gerotor classique, sans toutefois encourir les inconvénients dûs à la création de canaux radiaux obtenus par perçage de la couronne dentée extérieure.
  • Suivant l'exemple de réalisation représenté sur la figure 7, il reste en outre possible d'associer l'alimentation radiale conforme à l'invention à une alimentation axiale classique passant par les extrémités de l'engrenage intérieur. Le circuit complémentaire schématisé par les flèches f2 sur la figure 7 vient ainsi s'ajouter au circuit principal schématisé par les flèches f1.
  • Une disposition complémentaire remarquable et conforme à l'invention, visant notamment à réduire les effets de la force centrifuge peut en outre être adjointe. Au lieu de prévoir, comme dans les solutions connues antérieures, représentées à titre d'exemples sur les figures 1 et 3, un profil de denture, sur la couronne extérieure, en arcs de cercle à rayon unique et égal, l'invention prévoit un profil de denture dissymétrique. La figure 10 montre un exemple de réalisation à six dents et la figure 11 un exemple de réalisation à quatre dents. La réalisation fictive illustrée par la figure 9 représentant des exemples de dentures d'un pignon intérieur 40 et d'une couronne extérieure 41 à denture intérieure montre les critères retenus pour la détermination d'un profil dissymétrique de denture conforme à l'invention. On constate sur ces exemples qu'un grand espace 42 disponible est obtenu entre deux dents 43 et 44 lorsque le rayon R1 de l'arc de cercle correspondant au profil de denture est petit. En même temps, lorsque ledit rayon diminue, l'angle d'attaque de la denture diminue et dans l'exemple représenté, l'angle d'attaque a1 est négatif. Au contraire, lorsque le rayon R2 de l'arc de cercle correspondant au profil de denture devient important, un espace 45 plus faible devient disponible pour l'alimentation radiale entre les dents 46 et 47 mais par contre, l'angle d'attaque a2 devient positif et plus grand, ce qui est favorable à l'alimentation radiale.
  • La solution conforme à l'invention consiste à réaliser un profil de denture dissymétrique, comme représenté sur les figures 10 et 11, où le rayon d'arc de cercle est variable le long du profil. A l'arrière de la dent, telle que 48 ou 49, arrière et avant étant définis par rapport au déplacement de la couronne dentée dans son mouvement de rotation, le rayon R1 de l'arc de cercle correspondant au profil est très petit tandis que, à l'avant de la dent, le rayon R2 de l'arc de cercle correspondant au profil est très grand. De cette manière, un espace suffisant entre deux dents est ouvert pour assurer une section convenable d'alimentation radiale et on obtient en outre un angle d'attaque a de denture suffisant, notamment compris entre 20 et 30 degrés, ce qui permet d'incliner fortement le trajet moyen d'écoulement du remplissage par rapport à un rayon et en conséquence d'obtenir une atténuation de l'effet centrifuge. Dans tous les cas des profils correspondants sont réalisés à la fois sur la denture extérieure du pignon intérieur et sur la denture intérieure de la couronne extérieure de manière à ce que ces profils soient conjugués et que le contact entre les dents est conservé sur tout le pourtour lors des déplacements.
  • De bonnes conditions d'alimentation radiale sont ainsi assurées et pour un dimensionnement de même ordre des pompes, ces conditions sont améliorées par rapport à une alimentation exclusivement axiale précédemment utilisée. En résumé, les avantages obtenus au moyen de la réalisation d'une pompe à gerotor conforme à l'invention sont dûs à la minimisation du volume mort et à la minimisation du trajet centripète et de la masse de fluide soumise à la force centrifuge, grâce à la réduction du diamètre extérieur de la couronne extérieure pour réaliser le passage radial entre les dents de ladite couronne. A titre complémentaire, l'utilisation d'un profil de denture dissymétrique, en arcs de cercle à rayon variable permet une maximisation de la surface de passage de l'alimentation radiale, tout en conservant un angle d'attaque de denture avantageux et également d'assurer une direction générale de remplissage minimisant l'effet néfaste de la force centrifuge.

Claims (3)

  1. Pompe volumétrique rotative à engrenage intérieur du type dit à gerotor comprenant un pignon intérieur (21) monté sur un arbre (22) entraîné en rotation et coopérant avec une couronne extérieure (23) à denture intérieure (24) caractérisé en ce qu'un premier diamètre extérieur D1 de la couronne extérieure (23), sur une part (31) de la hauteur de la couronne (23), est réduit jusqu'à la valeur du diamètre théorique à fond de denture de ladite couronne (23) et ladite couronne (23) comportant en outre au moins un anneau continu (33) reliant et portant les dents (29) de la couronne (23), de manière à assurer une alimentation radiale de ladite pompe à travers les espaces (30) ménagés entre les dents (29) de la couronne extérieure (23).
  2. Pompe volumétrique à gerotor selon la revendication 1 dans laquelle ladite couronne (23) comporte un anneau continu présentant une second diamètre extérieure D2 supérieur audit premier diamètre extérieur D1.
  3. Pompe volumétrique à gerotor selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que le profil de denture de la couronne extérieure est dissymétrique et le rayon d'arc de cercle est variable le long du profil et présente une valeur R1 plus faible à l'arrière d'une dent (48-49) et une valeur plus élevée R2 à l'avant de la dent (48 ; 49) avant et arrière étant définis par rapport au sens de déplacement de l'engrenage en rotation le profil de denture du pignon intérieur étant conjugué avec ledit profil de couronne extérieure.
EP95200845A 1995-04-04 1995-04-04 Pompe volumétrique rotative à gerotor à alimentation radiale Expired - Lifetime EP0736691B1 (fr)

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