EP0823025B1 - Compresseur a vis avec protection des coups de liquide - Google Patents

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EP0823025B1
EP0823025B1 EP96915063A EP96915063A EP0823025B1 EP 0823025 B1 EP0823025 B1 EP 0823025B1 EP 96915063 A EP96915063 A EP 96915063A EP 96915063 A EP96915063 A EP 96915063A EP 0823025 B1 EP0823025 B1 EP 0823025B1
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EP
European Patent Office
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pinion
compressor
casing
high pressure
teeth
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EP96915063A
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German (de)
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EP0823025A1 (fr
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Bernard Zimmern
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    • 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
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/48—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members
    • F04C18/50—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged at an angle of 90 degrees
    • F04C18/52—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged at an angle of 90 degrees of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • 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
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/0021—Systems for the equilibration of forces acting on the pump
    • F04C29/0035—Equalization of pressure pulses

Definitions

  • the present invention relates to a compressor rotary volumetric screw and pinion type.
  • Document FR-A-1 331 998 describes compressors comprising a screw carrying threads rotating in the bore a casing, and cooperating with at least one pinion provided with teeth engaging in and meshing with said threads defining with the housing chambers of variable volume.
  • the document FR-A-1 586 832 describes a device for compression or expansion with a rotor constituted by rotation of an arc of a circle around a rotor axis.
  • the the rotor is provided with a plurality of threads, the ridges cooperate with a revolution housing around the axis rotor.
  • the ridges mesh with the teeth of at least one pinion.
  • the pinions can slide respectively on trees and are applied against the global screw by through springs, the tension of these springs being adjustable by means of nuts.
  • Document US-A-5,080,568 describes mounted sprockets so as to turn around a tree passing through the pinion and locate the pinion shaft axially by integral with the casing on the side of the pinion exposed to the high pressure.
  • the present invention relates to a compressor to bring a gas from a low pressure to a high pressure, comprising a screw provided with at least one thread, turning in a casing and cooperating with at least one pinion carrying teeth engaging in and meshing with the net, defining with the housing a volume to increase the fluid pressure, one side of the teeth being exposed to high pressure fluid, the other being exposed to the fluid at low pressure, the pinion consists of a plastic blade in which the meshing teeth are formed waterproof with the net and placed on the high pressure side of the gable, supported by a metal support on the lower side pressure, the high pressure side of the plastic blade of the pinion being in almost watertight contact with a lip of the casing, thrust means for exerting a pressing force the pinion shaft against stop devices, the force of support created by said means being greater than the force maximum exerted on the pinion during operation compressor normal.
  • This arrangement produces the remarkable effect of substantially reduce damage to the compressor during what is commonly referred to as a liquid blow, without deterioration of the profile of plastic teeth or characteristics of the compressor.
  • the compressor may have to compress liquid instead of gas for a very short time period, usually less than a second, and this creates which is generally referred to as a liquid blow.
  • the pressures created are then several times higher than the pressures for which the compressor is designed, usually 10 to 20 times.
  • the pressure in the thread creates an axial force on the pinion which largely exceeds that exerted by the means support thrust and the pinion will move axially, thus opening a space between the high pressure side of the teeth and housing lip, allowing excess liquid in the net to escape through said space and so to keep the pressure in the net within limits acceptable.
  • the remarkable result that has been observed with a compressor according to the invention is that no drop in characteristics does not occur even if the compressor is subjected to repeated liquid blows.
  • Figure 1 is a partial section along line I - I of Figure 2, of a preferred embodiment of a machine according to the invention, in the axis of one of its pinions perpendicular to the axis of the screw.
  • Figure 2 is a schematic half-section of the machine according to line II - II of figure 1.
  • Figure 3 is a partial section, as in Figure 1, of an alternative embodiment of the invention putting in works a pinion with a rotating shaft.
  • a screw 1, rotating around an axis 2 has a substantially helical thread 1a (Fig 2) which meshes with sprocket teeth 3 4. Both are mounted in a casing 5 pierced with a bore 6 whose proximity to the vertex 1b of the nets which separates the hollows from the nets successive provides a virtual seal. Due to the engagement between the screw 1 and the pinion 4, the rotation of the screw causes a corresponding rotation of the pinion.
  • the pinion is made in a known manner from a blade plastic 7 supported by a metal support 8, the latter itself carrying two bearings 9 and 10 which hold the pinion 4 on a shaft 11 allowing its rotation.
  • the shaft 11 has its axis determined by a bore 12 in the casing and a bore 13 formed in a support 14, itself centered in a bore 15 of the casing.
  • thrust means such as the spring washers 17 push the shaft 11 towards the stop 18, itself held in position by the cover 19 fixed to the casing.
  • the length of the stopper 18 is fixed so that after assembly, the clearance 20 between the lip 21 of the casing and the pressure face 22 of the plastic tooth is held at a minimum value, generally a few tens of microns.
  • the spring washers 17 are calculated such that so that after assembly, the push they exert exceeds the axial load created by the high pressure acting according to arrow 16. They are typically chosen so that their force represents 150 to 200% of the maximum thrust experienced by the pinion when the compressor operates under pressures extremes for which it is designed.
  • the thickness of the spring washers is generally chosen to limit the axial displacement of the pinion to values depending on the plastic and its dimensions, especially its thickness; as indicated above, the axial displacement of the pinion seems to reduce the width of the net seen by the pinion and excessive movement could lead to permanent damage; but displacements of around 0.5 and even 1 mm have been accepted by plastic teeth without damage.
  • the invention has been described with a rotating pinion around a fixed tree but could be applied to other arrangements, for example when the pinion shaft is integral with the pinion support and rotates with it, and that the bearings holding the pinion are directly mounted in the casing.
  • the pushing means 17a would push the bearing against the flange 18a secured to the support 14a by nuts 22 as shown in FIG. 3.
  • the invention would not be modified substantially if the spring washers 17 used for create the thrust holding the pinion shaft against the stop 18 were replaced by other means of generating thrust, such as a piston acting under the pressure of a gas, e.g. high exhaust pressure, piston having a cross section sufficient for its thrust to be superior, in all cases except stroke of liquid, to the force applied to the teeth of the pinion by the gas in compression.
  • a gas e.g. high exhaust pressure
  • the invention would also apply if the means stop against which the pinion is pushed by the means thrust were located, not in the side casing high pinion pressure, but in another location.
  • the invention applies to the case where the stop means are located on the low pressure side of axis 11.
  • Such means could be an extended pin perpendicularly across the tree 11 in the region of the bore and in an oblong hole made in the support 14.
  • the clearance 20 is at the desired value of a few tens of microns.
  • the set 20 reaches the value of 0.5 mm, or even 1 mm.

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Description

La présente invention se rapporte à un compresseur rotatif volumétrique du type à vis et pignon.
Le document FR-A-1 331 998 décrit des compresseurs comprenant une vis portant des filets tournant dans l'alésage d'un carter, et coopérant avec au moins un pignon muni de dents s'engageant dans et engrenant avec lesdits filets en définissant avec le carter des chambres de volume variable.
Le document FR-A-1 586 832 décrit un dispositif de compression ou de détente avec un rotor constitué par rotation d'un arc de cercle autour d'un axe de rotor. Le rotor est muni en saillie d'une pluralité de filets dont les crêtes coopèrent avec un carter de révolution autour de l'axe du rotor. Les crêtes engrènent avec les dents d'au moins un pignon.
Les pignons peuvent coulisser respectivement sur des arbres et sont appliqués contre la vis globique par l'intermédiaire de ressorts, la tension de ces ressorts étant réglable au moyen d'écrous.
Le document US-A-5 080 568 décrit des pignons montés de façon à tourner autour d'un arbre passant à travers le pignon et de localiser axialement l'arbre du pignon en le solidarisant avec le carter du côté du pignon exposé à la haute pression.
La présente invention se rapporte à un compresseur pour porter un gaz d'une basse pression à une haute pression, comprenant une vis munie d'au moins un filet, tournant dans un carter et coopérant avec au moins un pignon portant des dents d'engageant dans et engrenant avec le filet, définissant avec le carter un volume pour y accroítre la pression du fluide, une face des dents étant exposée au fluide à haute pression, l'autre étant exposée au fluide à basse pression, le pignon se composant d'une lame plastique dans laquelle sont formées les dents engrenant de façon étanche avec le filet et disposée du côté haute pression du pignon, soutenu par un support métallique du côté basse pression, la face haute pression de la lame plastique du pignon se trouvant en quasi-contact étanche avec une lèvre du carter, des moyens de poussée pour exercer un effort appuyant l'arbre du pignon contre des dispositifs d'arrêt, la force d'appui créée par lesdits moyens étant supérieure à la force maximale exercée sur le pignon pendant le fonctionnement normal du compresseur.
Cette disposition produit l'effet remarquable de réduire substantiellement les dommages subis par le compresseur lors de ce qui est communément désigné comme un coup de liquide, sans que se produise une détérioration du profil des dents plastiques ou des caractéristiques du compresseur.
Il est en effet connu dans l'industrie du froid et de l'air conditionné que sous certaines conditions, en particulier au démarrage, le compresseur peut avoir à comprimer du liquide au lieu de gaz durant une très brève période, généralement inférieure à la seconde, et ceci crée ce qui est généralement désigné comme un coup de liquide.
En fait, alors que le volume de la chambre se réduit pour assurer la compression de gaz et comme le liquide est incompressible, lorsque du gaz est remplacé par du liquide des pressions énormes sont engendrées dans le filet jusqu'à ce que quelque chose casse ou que se créent des jeux par lesquels le liquide peut échapper.
Les pressions créées sont alors de plusieurs fois supérieures aux pressions pour lesquelles le compresseur est conçu, généralement de 10 à 20 fois.
Selon l'invention, si un tel coup de liquide se produit, la pression dans le filet crée un effort axial sur le pignon qui dépasse largement celui exercé par les moyens de poussée d'appui et le pignon se déplacera axialement, ouvrant ainsi un espace entre la face haute pression des dents et la lèvre du carter, permettant au liquide en excès dans le filet de s'échapper à travers ledit espace et ainsi de maintenir la pression dans le filet dans des limites acceptables.
Cependant, lorsqu'un tel déplacement axial du pignon se produit, les flancs des dents des pignons ne se trouvent plus dans leur position de fonctionnement prévu. Il est connu qu'un tel déplacement produit le même effet que si l'on réduisait soudain la largeur du filet. Plus le déplacement est important, plus les dents doivent se distordre pour s'adapter à ce qui ressemble à des filets plus étroits. Si les dents du pignon étaient entièrement métalliques, quelque chose se romprait ou serait gravement endommagé, soit les dents, soit les filets ; le plastique est plus flexible et ne rompt pas, mais s'il restait un certain temps à la nouvelle position créée par le déplacement, il s'userait de sorte que les dents adaptent leur forme au filet apparemment plus étroit ; lorsqu'on les ramène à leur position initiale, cette usure se traduirait par des pertes par fuites accrues et par un rendement significativement réduit.
Par exemple, dans des compresseurs de conditionnement d'air fournissant environ 350 kW thermiques, un recul du pignon de 0,5 mm conduit, après quelques heures de fonctionnement, à une perte irréversible de volume balayé de l'ordre de 5 %.
Le résultat remarquable qui a été observé avec un compresseur selon l'invention est qu'aucune baisse de caractéristiques ne se produit, même si le compresseur est soumis à des coups de liquide répétés.
Il est probable que la faible urée pendant laquelle des pressions élevées s'exercent dans le filet et déplacent le pignon de sa position normale, la relative flexibilité du plastique et sa bonne résistance à l'usure expliquent qu'aucune usure mesurable n'est en réalité infligée au pignon.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit donnée à titre d'exemple non-limitatif et des dessins joints où :
La figure 1 est une coupe partielle, selon la ligne I - I de la figure 2, d'une réalisation préférentielle d'une machine selon l'invention, dans l'axe d'un de ses pignons perpendiculairement à l'axe de la vis.
La figure 2 est une demi-section schématique de la machine selon la ligne II - II de la figure 1.
La figure 3 est une coupe partielle, comme la figure 1, d'une variante de mise en oeuvre de l'invention mettant en oeuvre un pignon à arbre rotatif.
La machine représentée figure 1 est une modification selon l'invention d'une machine telle que décrite dans le brevet français 1.331.998.
Une vis 1, tournant autour d'un axe 2 comporte un filet substantiellement hélicoïdal 1a (Fig 2) qui engrène avec des dents 3 du pignon 4. Les deux sont montés dans un carter 5 percé d'un alésage 6 dont la proximité avec le sommet 1b des filets qui sépare les creux des filets successifs procure une quasi-étanchéité. En raison de l'engrènement entre la vis 1 et le pignon 4, la rotation de la vis entraíne une rotation correspondante du pignon.
Le pignon est fait de façon connue d'une lame plastique 7 soutenue par un support métallique 8, ce dernier portant lui-même deux paliers 9 et 10 qui maintiennent le pignon 4 sur un arbre 11 en permettant sa rotation.
L'arbre 11 voit son axe déterminé par un alésage 12 dans le carter et un alésage 13 ménagé dans un support 14, lui-même centré dans un alésage 15 du carter.
Dans une telle structure le fluide à comprimer exerce la haute pression selon la direction de la flèche 16, amenant ainsi le pignon à s'appuyer sur le palier 9.
Selon l'invention, des moyens de poussée tels que les rondelles-ressorts 17 poussent l'arbre 11 vers la butée 18, elle-même maintenue en position par le capot 19 fixé au carter.
La longueur de la butée 18 est fixée de sorte qu'après montage, le jeu 20 entre la lèvre 21 du carter et la face de pression 22 de la dent plastique est maintenu à une valeur minimale, généralement quelques dizaines de microns.
Les rondelles-ressorts 17 sont calculées de telle sorte qu'après assemblage, la poussée qu'elles exercent dépasse la charge axiale créée par la haute pression agissant selon la flèche 16. On les choisit typiquement pour que leur force représente 150 à 200 % de la poussée maximale subie par le pignon quand le compresseur fonctionne sous les pressions extrêmes pour lesquelles il est conçu.
Le fonctionnement du système est le suivant :
Si à un moment donné, généralement au démarrage, des volumes appréciables de liquide sont absorbés par le compresseur, la pression dans le filet augmente soudain pour atteindre des valeurs très supérieures aux valeurs maximales de service ; par exemple, dans des compresseurs de conditionnement d'air conçus pour monter à des pressions de 24000 ou 28000 hPa, la pression de pointe peut atteindre 200000 ou 300000 hPa.
La poussée sur le pignon devient alors bien supérieure à celle exercée par les rondelles-ressorts qui se trouvent alors comprimées, permettant à l'arbre du pignon de se mouvoir axialement et d'ouvrir le jeu 20, et ainsi à la pression dans le filet de baisser.
Bien qu'un tel déplacement du pignon ne soit pas instantané en raison de l'inertie du pignon, il est efficace pour réduire la pression dans le filet au démarrage, lorsque les filets sont remplis de liquide et que le moteur peine à faire tourner la vis. En effet, au moment du démarrage, le couple du moteur atteint environ le triple du couple nominal maximal et crée un effort sur les pignons qui dépasse la poussée des rondelles-ressorts, relâchant ainsi la pression et permettant au moteur d'atteindre sa vitesse maximale ; une fois le compresseur à vitesse nominale, en réduisant la durée pendant laquelle les pignons sont soumis à des pressions extrêmes, ce déplacement réduit spectaculairement les efforts de fatigue imposés aux composants du compresseur par des coups de liquide répétés.
Dès que le liquide a disparu et que la compression normale du gaz a repris, les rondelles-ressorts repoussent l'arbre 11 contre la butée 18 et ramènent le jeu 20 à ses valeurs normales de quelque dizaines de microns.
L'épaisseur des rondelles-ressorts est généralement choisie pour limiter le déplacement axial du pignon à des valeurs dépendant du plastique et de ses dimensions, en particulier son épaisseur ; comme indiqué plus haut, le déplacement axial du pignon semble réduire la largeur du filet vue par le pignon et un déplacement excessif pourrait conduire à des dommages permanents ; mais des déplacements de l'ordre de 0,5 et même 1 mm se sont révélés acceptés par les dents plastiques sans dommage.
Comme indiqué plus haut, en raison de la très brève durée du coup de liquide, la dent de pignon ne subit aucune usure permanente et les caractéristiques du compresseur restent inchangées.
L'invention a été décrite avec un pignon tournant autour d'un arbre fixe mais pourrait être appliquée à d'autres dispositions, par exemple lorsque l'arbre du pignon est solidaire du support de pignon et tourne avec lui, et que les paliers tenant le pignon sont directement montés dans le carter.
Dans ce cas, les moyens de poussée 17a pousseraient le palier contre le flasque 18a assujetti au support 14a par des écrous 22 comme représenté figure 3.
L'invention ne se trouverait pas modifiée substantiellement si les rondelles-ressorts 17 utilisées pour créer la poussée maintenant l'arbre du pignon contre la butée 18 étaient remplacées par d'autres moyens d'engendrer une poussée, tels qu'un piston agissant sous la pression d'un gaz, par exemple la haute pression d'échappement, le piston ayant une section suffisante pour que sa poussée soit supérieure, dans tous les cas hormis coup de liquide, à la force appliquée aux dents du pignon par le gaz en compression.
L'invention s'appliquerait également si les moyens d'arrêt contre lesquels le pignon est poussé par les moyens de poussée étaient localisés, non pas dans le carter du côté haute pression du pignon, mais à un autre emplacement.
Par exemple, l'invention s'applique au cas où les moyens d'arrêt sont localisés sur le côté basse pression de l'axe 11.
De tels moyens pourraient être une goupille étendue perpendiculairement à travers l'arbre 11 dans la région de l'alésage et dans un trou oblong pratiqué dans le support 14.
Alors, dans la position extrême, quand il est pressé par les moyens de poussée, le jeu 20 est à la valeur désirée de quelques dizaines de microns. Dans l'autre position extrême, de la goupille dans le trou oblong, le jeu 20 atteint la valeur de 0,5 mm, ou même 1 mm.
Cependant, une construction telle que sur la figure 1 où l'arbre est poussé contre les moyens d'arrêt solidaires du côté haute pression du carter est meilleure car, dans des conditions normales de fonctionnement, le jeu 20 n'est pas affecté par des distorsions du carter dues à des changements de pression ou de température qui produisent des déplacements relatifs, du même ordre de grandeur ou supérieurs au jeu prévu 20.

Claims (2)

  1. Compresseur pour porter un gaz d'une basse pression vers une haute pression, comprenant une vis (1) munie d'au moins un filet (la), tournant dans un carter (5) et coopérant avec au moins un pignon (4) portant des dents (3) s'engageant dans et engrenant avec le filet, définissant avec le carter un volume pour y accroítre la pression du fluide, une face des dents étant exposée au fluide à haute pression, l'autre étant exposée au fluide à basse pression, le pignon se composant d'une lame plastique (7) dans laquelle sont formées les dents engrenant de façon étanche avec le filet et disposée du côté haute pression du pignon, soutenu par un support métallique (8) du côté basse pression ; ce compresseur étant caractérisé en ce que la face haute pression de la lame plastique du pignon se trouve en quasi-contact étanche avec une lèvre (21) du carter, des moyens de poussée (17) pour exercer un effort appuyant l'arbre (11) du pignon (4) contre des dispositifs d'arrêt (18), la force d'appui créée par lesdits moyens étant supérieure à la force maximale exercée sur le pignon pendant le fonctionnement normal du compresseur.
  2. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs d'arrêt (18) sont placés dans le carter (5) du côté haute pression.
EP96915063A 1995-04-28 1996-04-19 Compresseur a vis avec protection des coups de liquide Expired - Lifetime EP0823025B1 (fr)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9505108A FR2733549A1 (fr) 1995-04-28 1995-04-28 Compresseur a vis avec protection des coups de liquide
FR9505108 1995-04-28
PCT/FR1996/000603 WO1996034204A1 (fr) 1995-04-28 1996-04-19 Compresseur a vis avec protection des coups de liquide

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Publication Number Publication Date
EP0823025A1 EP0823025A1 (fr) 1998-02-11
EP0823025B1 true EP0823025B1 (fr) 1999-06-30

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EP96915063A Expired - Lifetime EP0823025B1 (fr) 1995-04-28 1996-04-19 Compresseur a vis avec protection des coups de liquide

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EP (1) EP0823025B1 (fr)
JP (1) JPH11504096A (fr)
CN (1) CN1091848C (fr)
AU (1) AU5696596A (fr)
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FR (1) FR2733549A1 (fr)
WO (1) WO1996034204A1 (fr)

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