FR2798967A1

FR2798967A1 - Capsulisme pour machine tournante vehiculant un fluide gazeux et pouvant fonctionner en compresseur ou en pompe a vide

Info

Publication number: FR2798967A1
Application number: FR9912143A
Authority: FR
Inventors: Bernard Helliot
Original assignee: BLACKMER MOUVEX
Current assignee: BLACKMER MOUVEX
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2001-03-30
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: WO2001023761A1; DE60008896D1; FR2798967B1; EP1216358A1; ATE261547T1; EP1216358B1; AU7667700A

Abstract

L'invention concerne les machines tournantes à capsulisme.Une cellule de base du capsulisme comprimant un fluide gazeux comporte un rotor (1) mobile, constitué de deux spirales de sens inverses, définies par toutes sortes de courbes mathématiques, y compris des arcs de cercles, ayant de préférence des tangentes communes à leurs points de jonction (B, B1, B2, B3,... ), tout point du rotor décrivant un même cercle de rayon E, et ayant le même angle, au même instant, avec son point de départ, tandis que l'alvéole du stator fixe (2) est l'enveloppe des positions successives du rotor (1), la boucle ouverte est reliée à l'aspiration As et la boucle refermée au refoulement Re.Application aux compresseurs et pompes à vide d'air ou de gaz, secs ou à injection de liquide.

Description

La présente invention concerne un nouveau type de capsulisme pour machine tournante véhiculant un fluide gazeux et pouvant fonction en compresseur ou en pompe à vide.

On désigne par capsulisme la réalisation d'un volume fermé variable. L'invention concerne plus précisément une nouvelle famille de compresseurs ou de pompes vide "secs", notamment une famille de compresseurs d'air ou de gaz particulièrement compacts, légers,à un, deux ou trois étages, pouvant refouler sous pression basse, moyenne ou haute (par exemple3, 8 ou 20 bars, respectivement).

L'invention viseà concurrencerà la fois: - les petits compresseursà visà injection d'huile, destinés aux marchés transports, de l'industrie, des travaux publics et du bâtiment, dont la simplicité de conception du compresseur prorement dit est compliquée et alourdie par de nombreux accessoires (régulation, réservoir-séparateur, tuyauteries et filtre d'huile); - les petits compresseursà pistons, qui nécessitent un réservoir et engendrent bruit et trépidations.

Par conséquent, les compresseurs recherchés doivent être compacts, donc avoir un grand rapport volume aspiré, ou cylindrée, sur volume total de chambre de compression. Toutefois, la longueur de cette chambre étant constante pour un compresseur rotatif donné, il sera plus clair de parler du rapport: section aspirée, sur section totale (limitée par les alésages et leurs tangentes communes, c' -à-dire en incluant les parties concaves) de la chambre de compression. Ce rapport sera dénommé ci-après "taux d'aspiration".

Ces compresseurs recherchés doivent en outre être légers, et l'on devra éviter les rotors ayant un gros noyau (compresseursà vis, ouà dents).

A cet égard, le compresseurà spiralesà mouvement orbital semble satisfaire les objectifs ci-dessus, mais il n'est pas exempt de défauts: - lorsqu'il possède un arbre central et un arbre extérieur, il reste limité basses pressions et, de plus, les deux arbres sont différents car celui situé centre doit supporter presque tous les efforts; - lorsqu'il ne possède pas d'arbre traversant les spirales, le rotor doit maintenu en porte-à-faux, ce qui implique des paliers plus importants, donc plus lourds et encombrants; - par ailleurs, ce type de compresseur ne monte que très progressivement en pression doit avoir plusieurs spires pour atteindre seulement une pression basse, ou une pression moyenne pour les très petits débits.Il comporte alors de longues lignes de fuite, l'utilisation de segments en bout des aubes du rotor (sauf pour les très basses pressions) frottant sur le stator, et réciproquement. Cet emploi de segments frottantà sec limite fortement la vitesse de rotation. Les fuites non étanches entre les parois courbes des spirales fixes (stator) et mobiles (rotor), que l'on peut supposer constantes quel que soit le regime de rotation, prennent davantage d'importance par rapportà un débit plus faible. De plus, les courbures progressives engendrent un faible coefficient de perte de charge amont-aval, et favorisent les fuites. Le frottement des segments ajoutéà ces fuites et au fait que la compression est très progressive, provoque un supplément d'échauffement en cours de compression, au détriment du rendement des compresseurs de type.

La présente invention viseà remédier aux inconvénients précités - utilisant un nouveau profil permettant une compression beaucoup plus rapide, ou brutale, limitant les fuites; - en ayant un taux d'aspiration parmi les plus élevés des compresseurs connusà ce jour, permettant ainsi une compacité plus grande, d'où des lignes de fuite plus courtes. En outre, ce taux d'aspiration plus élevé permet l'emploi, pour une même cylindrée, rayon d'excentration (chaque point du rotor décrivant un même mouvement circulaire dans le plan orthogonal aux arbres d'entraînement) plus petit; - si le compresseur conserve des segments en bout de pales, en gardant constant le produit: régime de rotation x excentricité, et donc constante la vitesse de frottement segments. Pour le comparer au compresseurà spirales, le régime est augmenté en raison inverse de la diminution d'excentricité, ce qui permet d'augmenter encore la compacite, en réduisant de nouveau la cylindrée, qui est pratiquement divisée par deux.

Une autre possibilité est ouverte par la suppression des segments en bout de pales, d'augmenter fortement le régime de rotation, d'où une très nette diminution de la cylindrée, de la longueur des lignes de faite, de l'encombrement et du poids des compresseurs ainsi réalisés. Ceux-ci sont moins bruyants, les pulsations d'air étant plus faibles et plus nombreuses.

Concernant les compresseursà pression moyenne, ils sont conçus avec des cellules basse pression, refoulant vers un réfrigérant d'air ou de gaz, et moyenne pression, aspirant dans ce même réfrigérant, ce qui améliore rendement de compression et évite des températures et déformations de profils, duesà la chaleur dégagée par l'air comprimé, prohibitives.

Quant compresseurs haute pression, ils ont évidemment réfrigérantà la sortie des deux premiers étages, pour les mêmes raisons.

Plus precisément, si l'on appelle "cellule de base" la cellule élémentaire la plus simple, on verra que l'on peut, dans le cadre de l'invention, disposer, dans une même chambre de compression, plusieurs cellules de base, par exemple deux ou plusieurs cellules identiques (simples ou juxtaposées) pour la basse pression, et même pour la moyenne pression. Le fait que la partie basse pression et la partie moyenne pression se trouvent dans la même chambre apporte évidemment une grande simplification de conception et un gain en poids, en compacité, en prix de revient. Les conclusions sont les mêmes s'il a de plus une partie haute pression.

L'invention sera mieux comprise en se référantà la description' après, faite en regard des dessins annexés.

En premier lieu, on va définir la cellule de base, qui comprend deux alvéoles de compression. rotor, comme dans les compresseursà spirales, est entraîné par deux arbres parallèles au moyen de deux excentriques de même excentricitéE. Chaque point du rotor décrit donc, dans son mouvement, un cercle, ou une "orbite", rayonE.

En se référantà la figure1, on considère trois courbes parallèles, plus précisément deux courbes enveloppesC2, C3 de cercles F' de même rayonE, dont le centre se déplace une courbe donnéeCl.

Par le centre de chaque cercle F, on mène une droite de directionA. Une seule de ces droites coupe simultanément F etC2 enE2, F etC3 en aux points pour lesquelsA est perpendiculaire aux tangentesà C2, C3, F, doncà Cl.

En se référantà la figure 2, si l'on déplace la courbeCl deE dans la directionA, elle vient en rencontreC2 enE2, et seulement enE2, le rayon de courbure de C'l enE2 étant inférieur deE à celui deC2.

On montrerait de même que si l'on déplaceCI de-E selonA, elle rencontreC3 enE3, et seulement enE3.

La cellule de base la plus simple possible présente la forme de la lettreC. Dans ce qui suit, décrit une cellule théorique, dans laquelle l'aube ou la pale du rotor, dans la section orthogonale axes des arbres d'entraînement, n'a pas d'épaisseur, ce qui simplifie la description.

En se référantà figure3, un rotor1 étant supposé d'excentricité nulle, par rapportà un stator fixe 2 sera dit "en position moyenne"- qu'il n'occupe jamais dans la pratique, son excentricité étant toujours égaleà E - . Son aube a la forme d'unC.

Le stator fixe l'enveloppe des cercles de rayonE centrés sur le rotor en position moyenne.

La courbeC peut etre constituée de deux spirales en sens inverses, une de sens allant de l'aspiration As vers B, et une de sens +, allant du refoulement Re vers B.

Elle peut aussi être définie par toutes sortes de courbes mathématiques, pourvu que la tangente en B soit commune aux deux courbes (une cassure de la courbe génératrice provoque une fuite au niveau de la courbe inférieure du stator) ou, plutôt, que les tangentes des courbes successives soient communesà leurs points de rencontre B, BI, B2, B3,...

La courbeC devra former, au refoulement Re, une boucle d'autant plus fermée que l'on désirera une pression de refoulement plus élevée. Il suffira qu'elle s'arrêteà l'horizontale, ouà peu près,à l'aspiration As.

En se référantà figure 4, celle-ci montre les phases successives de la compression dans une cellule de base. Les parties ombrées montrent les alvéoles communiquant avec l'aspiration, jusqu'à la fermeture de celle-ci, et celles hachurées les alvéoles expulsant l'air comprimé dans l'orifice de refoulement. Aspiration et refoulement sont ininterrompus, et il en résulte que le principe de compression lui- même diminue les pulsations d'air et de bruit aux orifices amont et aval.

Les cadrans montrent l'angle de rotation commun des deux excentriques d'entraffiement.

On peut constater qu'une alvéole supérieure et une alvéole inférieure se remplissent une fois par, et refoulent avant un demi tour.

La cylindrée théorique de la cellule est égaleà la somme des surfacesSA et SB multipliée par la longueur la chambre de compression, ou du rotor, parallèlement aux axes des arbres d'entraînement.

En se référant maintenantà la figure5, le compresseurà spirales est constitué des enveloppes successives d'une même spirale de base, engendrées par des cercles FI, F2, F3... de même rayonE, situés sur une même normaleN à la spirale de base, en Re, dont les centres décrivent, en tournant, le rotor (supposé sans épaisseur) en position moyenne, et dont les intersections avecN décrivent le stator.

Au contraire, la cellule de base du compresseur en forme deC a son stator défini directement par l'enveloppe des cercles glissant sur le rotor servant de génératrice.

Au lieu d'être constituée dans deux spirales de sens inverses, la courbe du rotor peut être, dans le cadre de l'invention, décrite par plusieurs arcs de cercles successifs. On remarque: - d'une part en se référantà la figure6, que le fait d'utiliser des arcs de cercles simplifie les équations du stator et du rotor: ce dernier étant en position moyenne, soitCI l'un des ses arcs de cercles de centre M, de rayon RI et d'arcal. Les arcs de cercles C'l et C"I du stator ont même centre M, même angleal, et pour rayons R'I=RI+E et R"1=Rl-E. Le centre M des arcs de cerclesC2, C'2, C"2 est situé sur la droite A12 passant parM limirant les arcsCI, C'l et C"I sur cette droite. De même, le centre f#O des arcsà gauche de AO 1 est sur AO 1, et le centreM des arcsà droite de A23 est A23, et ainsi de suite.

- d'autre part, en référantà la figure7, que si le centre Ç2 du plus grand rayon R deux cellules opposées est commun, la forme extérieure de la chambre est un cercle de ce même rayon limité par les tangeantes T communes aux deux cellules.

La forme ci-dessus est simple, et donne une même vitesse de déplacement maximum pour deux cellules.

On peut lui préférer une forme plus aplatie, telle que celle représentée sur la figure8, dans le but d'obtenir une plus grande vitesse de déplacement d'air, pour une excentricité donnée, et donc un meilleur taux d'aspiration.

La vitesse maximum de l'air dans l'alvéole est en effet co.R, et la vitesse orbitale de tout point du rotor est co.E, ce qui permet de multiplier la vitesse dans le rapport R/E, et donc d'obtenir un grand débit dans un encombrement faible, le rapport R/E pouvant dépasser10.

En se référant maintenantà la figure9, celle-ci montre une chambre de compression dans laquelle les arbres d'entraîmement ne traversent pas le rotor, qui est en porte-à-faux. Au contraire, en se référantà la figure10, celle-ci représente un version dans laquelle les deux arbres munis d'excentriques traversent le rotor, un compresseur basse pressionà cellules juxtaposées deux par deux.

En se référantà la figure11, celle-ci représente le schéma compresseur moyenne pression: les deux grandes alvéoles refoulent dans un réfrigérant Rfl l'air comprimé ensuite jusqu'à la pression finale dans les deux petites alvéoles. Un réfrigérant final M complète cette réalisation.

Dans les figures qui précèdent, les alvéoles sont groupées tête-bêche, pour diminuer les réactions des paliers. Les arbres quiy figurent, soumis aux mêmes efforts moyenne, pour raison de symétrie, peuvent être identiques ainsi que leurs joints, paliers et contrepoids.

Toutefois, une construction asymétrique reste possible, dans le cadre de l'invention, en se référant par exempleà la figure 12, qui montre un compresseurà trois étages avec arbres traversants.

Excepté pour les compresseursà très basse pression, on toujours intérêtà opposer deux rotors, de même profil transversal, dosà dos, comme représentés sur la figure13 (ou il peut s'agir d'un rotor unique creusé sur sa droite sur sa gauche), ou bienà distance, comme représentés sur la figure 14, de manièreà supprimer toute poussée axiale.

Cecià condition que les deux moitiés du stator et leurs orifices aient une même section transversale pour bien équilibrer les forces axiales.

Bien entendu, les rotors doivent être équilibrés radialement, surtour si le régime rotation est élevé, mais ceci est facileà réaliser, car lesdits rotors ont une faible masse en raison de leur forme compacte et évidée, et une faible excentricité eu égardà cylindrée.

En se référantà la figure15, celle-ci montre une réalisation possible de l'étanchéitéà vitesse moyenne, où l'un des deux arbres identiques représenté est entaillé pour réaliser tout ou partie de l'équilibrage. L'arbre3 entraîne le rotor 4 par l'intermédiaire de roulementsà aiguilles5, accolésà des joints d'étanchéité6, retenant l'huile, dont la circulation sous faible pression est indiquée par des flèches.

En se référantà la figure16, celle-ci montre une autre conception, pour compresseurs tournantà grande vitesse, où le coussinet7 est emmanchéà force dans le rotor8. L'étanchéité des fuites d'huile est assurée par une barrière d'air, prélevée au refoulement (dans le rotor), aux deux extrémités du maneton excentré9 de l'un des deux arbres d'entraînement identiques. L'action de l'air comprimé est complétée par deux filetages sens inverses ramenant l'huile vers le centre du maneton. L'huile de lubrification, circulant selon les flèches, arrive au centre du maneton et est récupéree de part et d'autre du coussinet central. Le maneton est d'un diamètre légèrement plus faible dans les parties comportant filetages et rainures, pour que le coussinet ne frotte pas ces parties ou pas lubrifiées.

Cette conception pour compresseurs rapidesà arbres traversants est évidemment très compacte et légère. Les coussinets des paliers de chaque arbre d'entraîmement sont rendus étanches par des joints ou des labyrinthes classiques, selon la vitesse de rotation, et la partie restante (ou totale) de l'équilibrage, est assurée par des masses situées en dehors des paliers.

En se référantà la figure17, celle-ci montre une vue d'ensemble d'un compresseur basse pression, dans lequel les excentriques, au centre du rotor, sont en bout d'arbres. L'arbre10 représenté tourne dans le stator11 par l'intermédiaire des roulements 12 et13. L'excentrique entraîne le rotor 22 au moyen du roulement 14. Les joints15, 16 et17 isolent la chambre de compression de l'huile de lubrification. L'arrivée d'huile, dans le stator11, est située entre le roulement 12 et le joint17. Le pignon18 engrène avec la roue19 qui entrame également l'autre arbre. Les contrepoids 20 et 21 équilibrent le rotor dans le sens radial.

Les butées axiales ne sont pas représentées sur les figures de la présente demande, pour ne pas compliquer celles-ci exagérément.

Il a lieu de noter que, dans ce qui précède, il n'a pas été tenu compte de la collerette centrale du rotor (représentée seulement sur les figures13 et 14). Cette collerette pour rôle d'obturer la partie extérieure des alvéoles du stator, pendant toute la durée de la rotation des excentriques.

Par ailleurs, le capsulisme selon l'invention a été conçu notamment (mais non exclusivement) pour permettre la réalisation de compresseurs de plus faibles débits que les compresseursà vis. La frontière d'une famille donnée de compresseurs, lorsque les dimensions diminuent, provient de l'augmentation relative des jeux, bomés par les tolérances réalisables, les flèches des pièces, les tassements de roulement, les dilatations relatives des organes voisins, toutes valeurs qu'on ne peut réduire au-delà de certaines limites. A cet égard, la famille de capsulismes à air ouà gaz "secs" selon l'invention, aura aussi sa propre limite inférieure de débit. Celle-ci pourra être fortement réduite (dans un rapport de10 ou plus) en utilisant l'injection de liquide (huile- eau- fluide frigorigène), avant pendant la compression, ou avec lubrification de la chambre compression, cette technique employant le classique ensemble: réservoir avec filtre séparateur, réfrigérant, et régulation, entre évidemment dans le champ d'application de l'invention.

En outre, est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'on pourray apporter toute modification utile, notamment dans le domaine des équivalences techniques, sans sortir de son cadre.

Claims

REVENDICATIONS 1- Capsulisme pour machine tournante véhiculant un fluide gazeux et pouvant fonctionner en compresseur ou en pompeà vide, caractérisé le fait que l'aube du rotor mobile(1) d'une cellule de base est constituée de deux spirales en sens inverses, la premiere communiquant avec l'aspiration As et la seconde avec refoulement Re, ces deux spirales donnant au rotor la forme de la lettre "C". 2- Capsulisme selon la revendication1, caractérisé par le fait que la courbeC est définie par les deux spirales, ou par toutes sortes de courbes mathématiques ayant de préférence des tangentes communesà leurs points de jonction (B, BI, B2, B3... ). 3- Capsulisme selon la revendication1, caractérisé par le fait que la courbeC forme au refoulement Re, une boucle d'autant plus fermée que le taux de compression (ou rapport de pressions absolues refoulement sur aspiration) 'levé et s'arrêteà peu prèsà l'horizontale, côté aspiration As. 4- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications a3, caractérisé par le fait que le rotor(1) est animé d'un mouvement orbital, chacun de ses points décrivant un même cercle d'excentricitéE, et ayant un même angle au même instant avec son point de départ, ledit rotor étant entraîné par deux arbres identiques, d'axes parallèles, synchronisés en rotation, au moyen d'excentriques de même rayonE. 5- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1 à 4, caractérisé par le fait que l'alvéole du stator fixe (2) est l'enveloppe des positions successives du rotor(1) dans mouvement, c'est-à-dire l'enveloppe des cercles de rayon égalà l'excentricitéE augmentée de la demi épaisseur de l'aube du rotor, dont les centres glissent sur l'axe médian cette aube. 6- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1à 5, caractérisé par le fait que les deux spirales du rotor(1) peuvent être constituées d'arcs de cercles(CO, CI, C2, ... ) de manièreà simplifier les calculs de dimensionnement et les contrôles de fabrication, l'intérieur de l'alvéole du stator (2) étant alors défini des arcs de cercles C'l, C'2, C'3, ... et C"O, C"I, C"2, C"3, ... ) concentriquesà ceux du rotor, tous ces cercles ayant de préférence des tangentes communesà leurs points raccordement. 7- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1 à 6, caractérisé par le fait que plusieurs cellules de base simples ou juxtaposées,à un, deux ou trois étages de pression, sont groupées dans une même chambre de compression (compresseursà basse, moyenne, ou haute pression) ou de vide, des réfrigérants intermédiaires séparant les diffrérents étages des compresseurs de manièreà éviter des températures déformations thermiques exagérées. 8- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1 à 7, caractérisé par fait que les alvéoles peuvent être groupées tête-bêche pour diminuer les réactions sur les paliers. 9- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1 à 8, caractérisé par le fait que le rapport du rayon R de la paroi du stator la plus éloignée du centre nà l'excentricitéE est égal au rapport de la vitesse maximum de l'air dans l'alvéoleà la vitesse orbitale de tout point du rotor, et peut dépasser10. 10- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1 à 9, caractérisé par le fait que le ou les arbres d'entraffiement traversent complètement ou partiellement la chambre de compression. 11 - Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1 à 10, caractérisé le fait que l'on oppose deux rotors, de même profil transversal, dosà dos ouà distance de manièreà supprimer toute poussée axiale. 12- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1 à 11, caractérisé par le fait que les rotors sont équilibrés radialement, par des contepoids placésà l'extérieur de la chambre de compression. 13- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1 à 12, caractérisé par le fait que les compresseurs ou pompesà vide compriment uniquement de l'air ou des secs. 14- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications1 à 12, caractérisé par fait que les compresseurs ou pompesà vide fonctionnent avec injection de liquide avant ou pendant la compression ou avec lubrification de la chambre de compression.