FR2983539A1 - Pompe et turbine a palettes - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à une pompe à palettes (100), une turbine à palettes, du type comprenant un rotor incluant des palettes montées libres à coulissement dans des fentes radiales, cet ensemble étant logé dans une chemise rotative montée libre à rotation dans la pompe, la turbine. Selon l'invention, la pompe, la turbine, comprend au moins deux chemises rotatives (400) et une plaque statique de distribution (630) d'un fluide susceptible d'être aspiré et refoulé par la pompe, la turbine, pendant la rotation du rotor, est interposée entre lesdites chemises rotatives. Les chemises rotatives montées libres à rotation sont entraînées par les palettes pendant la rotation du rotor, ce qui conduit à un glissement limité entre les palettes et les chemises rotatives. Il en découle une usure réduite du couple chemises rotatives/palettes et/ou une vitesse de rotation maximum admissible plus grande du rotor. L'aspiration, le refoulement, sont réalisés à la périphérie des palettes, au travers de la plaque de distribution, comme dans une pompe à stator fixe.

Description

La présente invention se rapporte à une pompe de type à palettes. Une pompe à palettes peut être utilisée pour compresser des gaz, des vapeurs, lorsqu'elle est entraînée à rotation. Elle peut encore être utilisée pour transférer un fluide incompressible, par exemple pour pomper de l'huile.

Elle comprend en général un rotor pourvu de fentes radiales dans lesquelles peuvent coulisser librement des lames encore appelées palettes et qui est susceptible d'être entraîné à rotation dans un stator. L'axe du rotor est parallèle, mais décalé de celui du stator, si bien que le volume délimité entre le rotor, le stator, et deux palettes voisines, encore appelé chambre, varie pendant la rotation du rotor. Les palettes sont maintenues en contact avec la paroi du stator par des ressorts ou par la force centrifuge. L'usure de palettes est compensée par leur faculté de pouvoir être mises constamment en butée contre le stator. La pompe est raccordée au travers d'un passage d'aspiration et d'un passage de refoulement, qui en principe débouchent dans la paroi périphérique du stator. L'entraînement du rotor permet alors d'aspirer un fluide et de le refouler. Pour accroître le rendement d'une telle pompe à palettes, on a cherché à minimiser le frottement des palettes contre la paroi du stator. Ainsi est présentée dans le brevet US-A-1819689, une pompe hydraulique comprenant un rotor entraîné à rotation par un arbre monté sur des roulements dans le corps de pompe, un stator rotatif constitué de la bague intérieure d'un roulement à rouleaux, montée dans une cage articulée de sorte à pouvoir décaler l'axe du rotor de celui du stator. Des lames, poussées par des ressorts, coulissent dans des rainures radiales réalisées dans le rotor et entre deux flasques pour former des chambres de capacité variable. L'aspiration ainsi que le refoulement sont réalisés au travers du rotor et débouchent dans les chambres à la périphérie dudit rotor. Des billes, formant clapets anti-retour, sont utilisées pour séquencer la circulation du fluide dans la pompe. Des clapets sont ainsi nécessaires pour réguler les flux de fluide circulant dans la pompe en fonctionnement. Le demandeur a cherché une solution pour conserver les avantages d'une pompe à palette pourvue d'un stator tournant, tout en conservant les avantages d'une structure de pompe à palette conventionnelle. A cet effet, est proposée une pompe à palettes, une turbine à palettes, du type comprenant un rotor incluant des palettes montées libres à coulissement dans des fentes radiales, cet ensemble étant logé dans une chemise rotative montée libre à rotation dans la pompe, la turbine ; selon l'invention, la pompe, la turbine, comprend au moins deux chemises rotatives et une plaque statique de distribution d'un fluide susceptible d'être aspiré et refoulé par la pompe, la turbine, pendant la rotation du rotor, est interposée entre lesdites chemises rotatives.

Les chemises rotatives montées libres à rotation sont entraînées par les palettes pendant la rotation du rotor, ce qui conduit à un glissement limité entre les palettes et les chemises rotatives. Il en découle une usure réduite du couple chemises rotatives/palettes et/ou une vitesse de rotation maximum admissible plus grande du rotor. L'aspiration, le refoulement, sont réalisés à la périphérie des palettes, au travers de la plaque de distribution, comme dans une pompe à stator fixe. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, chaque chemise rotative est montée libre à rotation, par l'intermédiaire d'un moyen de roulement, dans un manchon cylindrique tenu entre la plaque de distribution et un flasque. La plaque de distribution sert également à fixer les deux manchons cylindriques dans lesquels tournent librement les deux chemises rotatives. Les manchons cylindriques sont fixés de manière rigide si bien que la rotation des chemises rotatives ne génère pas de vibrations. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, chaque chemise rotative comporte une paroi cylindrique, contre la face intérieure de laquelle le bord libre des palettes est susceptible d'être mis en contact, ladite paroi cylindrique étant fermée d'un côté par une paroi latérale contre laquelle l'un des bords latéraux des palettes et du rotor est mis en contact. Le glissement est réduit à la périphérie des palettes et aussi sur leurs bords latéraux.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le bord libre de chaque paroi cylindrique pénètre dans une gorge circulaire réalisée dans chacune des faces principales de la plaque de distribution. Une chicane d'étanchéité est ainsi formée entre les chemises rotatives et la plaque de distribution.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, la plaque de distribution est traversée d'un passage cylindrique coaxial avec les deux parois cylindriques des deux chemises rotatives, le diamètre du passage cylindrique étant à peine supérieur à celui du diamètre intérieur des parois cylindriques de sorte que les palettes puissent frôler ledit passage cylindrique sans le toucher pendant leur rotation.

Il n'y a pas de frottement entre les palettes et la plaque de distribution statique. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, la plaque de distribution est traversée radialement d'au moins un conduit d'aspiration et d'au moins un conduit de refoulement du fluide et qui débouchent au travers du passage cylindrique.

Les séquences des périodes d'aspiration et de refoulement dans les chambres sont mises en oeuvre par le passage des palettes devant le débouché des conduits. Le remplissage et la vidange des chambres sont obtenus rapidement. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, la pompe, la turbine, comprend un système de compensation capable de caler latéralement chaque chemise rotative de sorte à compenser la pression du fluide exercée sur les parois latérales pour conserver l'étanchéité requise entre l'ensemble rotor/palettes et ces parois latérales. En fonctionnement, l'étanchéité de la pompe, de la turbine, est préservée. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le système de compensation comporte deux butées rotatives respectivement interposées entre les deux flasques et les parois latérales des deux chemises rotatives. Les butées assurent le calage latéral des deux chemises rotatives. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le calage des butées rotatives est susceptible d'être modifié en continu par l'intermédiaire de vis de réglage incorporant des ressorts capables d'appliquer une pression constante sur la cage des butées et qui est tournée vers les flasques. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une pompe à palettes selon l'invention, la Fig. 2 représente une vue en coupe transversale d'une pompe à palettes selon l'invention et, la Fig. 3 représente une vue en coupe transversale, dans un autre plan, d'une pompe à palettes selon l'invention. La pompe à palettes 100 présentée sur la Fig. 1, est destinée à aspirer un fluide jusqu'à un niveau de vide de l'ordre de 100 Pa (en valeur absolue) et/ou compresser un fluide jusqu'à des pressions de l'ordre de 3 à 4 106 Pa. Elle peut fonctionner en compresseur ou en pompe pour transférer des liquides.

Parmi les applications visées, la pompe de l'invention peut être intégrée dans un système de pompe à chaleur pour extraire des calories d'un fluide caloporteur circulant dans des panneaux solaires. Elle se compose d'un rotor 200 pourvu de palettes radiales 210 et qui peut être entraîné à rotation à l'intérieur d'au moins deux chemises 400a et 400b, comme cela apparaît sur cette Fig. 1. Ces chemises présentent la particularité d'être montées libres à rotation dans un châssis 600. Elles sont appelées chemises rotatives dans la suite de cet exposé. Sur la Fig. 2, le rotor 200 est constitué d'une pièce de révolution 202 telle qu'un cylindre et qui est creusée radialement de fentes 204 dans lesquelles peuvent respectivement coulisser et de manière libre, les palettes 210. Sur la Fig. 1, chaque palette 210 est constituée d'une lame de section rectangulaire et de même longueur que celle du rotor 200. Le châssis 600, dans lequel sont enfermés le rotor 200 et les chemises rotatives 400, comprend deux flasques 610a et 610b, une plaque de distribution 630 d'un fluide, ainsi que deux manchons cylindriques 650a et 650b qui réunissent respectivement la plaque de distribution 630 avec les flasques 610. Les deux manchons 650 sont retenus dans des rainures circulaires et coaxiales réalisées dans les deux faces principales de la plaque de distribution 630 ainsi que dans des rainures circulaires et coaxiales réalisées dans une face principale des deux flasques 610. Ces pièces sont maintenues solidaires, par exemple, par des vis de fixation. Un arbre 220 traverse le rotor 200 en son centre, en étant solidaire de celui-ci pour permettre son entraînement à rotation par l'intermédiaire d'un moteur. Ses deux extrémités sont tenues respectivement dans deux moyens de roulement 620 tels que des roulements à billes logés dans des logements réalisés dans les deux flasques. Chaque chemise rotative 400 présente en coupe longitudinale, une section en cloche comprenant une paroi cylindrique 410 fermée d'un côté par une paroi latérale 420 plane en forme de disque, la paroi latérale étant percée en son centre d'une ouverture 422 destinée au passage de l'arbre 220.

Les deux extrémités du rotor 200 et des palettes 210 sont logées dans ces deux chemises rotatives 400. Le bord libre des palettes 210 est maintenu en contact sur la face intérieure de la paroi cylindrique 410 de chaque chemise rotative 400, sous l'effet de la force centrifuge pendant la rotation du rotor.

Les bords latéraux des palettes et du rotor sont respectivement mis en contact avec les parois latérales 420 des deux chemises rotatives 400, du fait de la longueur identique des palettes et du rotor. Pour une pompe à relative faible vitesse de rotation, les palettes peuvent être mises en contact sur les chemises rotatives par l'intermédiaire de ressorts placés dans les fentes. On remarquera, en référence aux Figs. 1 et 2, que l'axe du rotor 200 est parallèle et décalé de l'axe commun des chemises rotatives 400. Ainsi, le volume délimité entre le rotor, les deux chemises rotatives, et deux palettes voisines, varie constamment pendant la rotation du rotor. Ce volume est appelé chambre dans la suite de cette description. Les deux chemises rotatives 400 sont montées libres à rotation respectivement dans les deux manchons cylindriques 650, par l'intermédiaire de moyens de roulement 660, et qui sont constitués sur cette Fig. 1, de roulements à aiguilles. Chaque roulement est interposé entre la face extérieure de la paroi cylindrique 410 de la chemise rotative et le manchon correspondant. Il est tenu en place, à l'aide de moyens d'arrêt comme des circlips 670. Cette faculté de tourner librement limite la vitesse de glissement relative ainsi que la distance parcourue des palettes par rapport aux parois cylindriques 410. L'usure des palettes est considérablement réduite à l'usage. La pompe peut aussi être utilisée en tant que turbine capable de fournir un travail du fait de la faculté des chemises rotatives à pouvoir tourner relativement rapidement. A titre indicatif, la vitesse de rotation du rotor 200 en fonctionnement est de l'ordre de 3000 tours/mn et peut atteindre 6000 à 7000 tours/mn selon les caractéristiques des roulements.

La plaque de distribution 630 est destinée à permettre à la pompe 100 d'aspirer et/ou de refouler un fluide ou d'admettre le fluide sous pression et le rejeter dans le cadre d'une utilisation en turbine, c'est-à-dire pour produire un couple moteur. Elle est définie notamment par deux faces principales qui sont parallèles. Elle est traversée d'un passage cylindrique 632 coaxial avec les deux parois cylindriques 30 410. Le diamètre du passage cylindrique 632 est à peine supérieur à celui du diamètre intérieur des parois cylindriques 410, assurant ainsi la continuité géométrique entre les deux parois cylindriques 410 des deux chemises rotatives 400, de sorte que les palettes 210 puissent frôler le passage cylindrique 632 sans le toucher pendant leur rotation. Un jeu J matérialise, sur la vue en détail A-A, cette différence de diamètre. On remarquera encore sur cette vue en détail A-A, que le bord libre de chaque paroi cylindrique 410 est aminci et forme une couronne 412 qui pénètre dans une gorge circulaire 634 réalisée dans chacune des faces principales de la plaque de distribution 630. Le dimensionnement de ces deux parties complémentaires est réalisé avec jeu de sorte que la chemise rotative puisse tourner sans frottement et avec cependant une quasi étanchéité grâce à l'effet chicane que leur imbrication produit. La disposition de la plaque de distribution 630, qui est une pièce statique de la pompe, et qui est placée cependant entre les deux chemises rotatives 400 montées libres à rotation, autorise de la sorte le raccordement de la pompe 100 au niveau de la périphérie des palettes 210 comme dans une pompe à palettes conventionnelle, c'est-à-dire pourvue d'un stator fixe. En référence à la Fig. 3, la plaque de distribution 630 est, à cet effet, traversée radialement d'au moins un conduit d'aspiration 636 et d'au moins un conduit de refoulement 638 du fluide et qui débouchent au travers du passage cylindrique 632. Les palettes 210 font office de tiroirs pour les conduits 636 et 638 pour aspirer le fluide dans les chambres et le refouler ensuite. Le déroulement des séquences d'aspiration et de refoulement dans les chambres est mis en oeuvre par le passage des palettes devant le débouché des conduits. Le remplissage et la vidange des chambres sont obtenus rapidement et sans utiliser des auxiliaires d'admission ou d'échappement, comme des soupapes, des clapets. Lorsqu'elle fonctionne en compresseur, le gaz est admis dans une chambre au travers d'un premier conduit d'aspiration 636 (1), puis pendant la rotation du rotor symbolisée par la flèche R, cette chambre sort du débouché du premier conduit pour aspirer le gaz par le deuxième conduit d'aspiration 636 (2), et enfin aspirer le gaz par le troisième conduit d'aspiration 636 (3). La chambre atteint alors son volume maximum et il diminue ensuite pour comprimer le fluide prisonnier dans celle-ci. Quand la chambre atteint le débouché du premier conduit de refoulement 638 (1), et dont le positionnement a été déterminé en fonction de la pression d'éjection souhaitée, le gaz sous pression quitte alors la pompe au travers de ce conduit de refoulement 638 (1), puis ensuite au travers du second conduit de refoulement 638 (2). La présence de ce second conduit permet d'accroître le rendement de la pompe en supprimant la compression inutile d'un volume résiduel.

Sa position est telle qu'il échappe à la palette qui le balaie, lorsque les deux palettes qui encadrent la chambre la plus petite sont positionnées symétriquement par rapport au plan médian de la pompe qui passe par l'axe du rotor et des chemises rotatives. Sa position est indépendante de la pression souhaitée en sortie.

Le rotor 200, les deux chemises rotatives 400, les deux manchons cylindriques 650 ainsi que les flasques 610 sont de préférence fabriqués en fonte grise lamellaire, choisie pour sa résistance à la corrosion, sa stabilité dimensionnelle, ainsi que pour son coefficient de dilatation proche de celui des roulements. Les palettes 210 sont de préférence fabriquées en acier inoxydable, en graphite, en PTFE (polytétrafluoroéthylène). La pompe peut fonctionner à sec, par exemple avec des palettes fabriquées en PTFE ou encore être lubrifiée avec une huile de silicone, un composé graphité. L'utilisation de lubrifiant permet d'augmenter le rendement de la pompe, de la turbine, grâce à une amélioration de l'étanchéité des chambres, par la présence de ce lubrifiant qui s'immisce, notamment, dans chaque chicane 634/412, illustrée dans la vue en détail A-A de la Fig. 1, et qui est réalisée entre la plaque de distribution 630 et chaque chemise rotative 400. Le fluide comprimé dans certaines chambres pendant la rotation du rotor 200 exerce sur les parois latérales 420 des chemises rotatives 400 une pression qui tend à les séparer des bords latéraux des palettes 210 et du rotor 200. Pour conserver l'étanchéité requise entre l'ensemble rotor/palettes et ces parois latérales 420, la pompe 100 comprend un système de compensation de forces 500. Il comprend deux butées rotatives telles que des butées à billes 510a et 510b respectivement interposées entre les deux flasques 610 et les parois latérales 420 des deux chemises rotatives 400.

Pour compenser l'usure, de l'ensemble rotor/palettes et des parois latérales 420, le calage de ces butées peut être modifié en continu par l'intermédiaire de vis de réglage 520 incorporant des ressorts et qui sont susceptibles d'appliquer une pression constante sur la cage des butées à billes et qui est tournée vers les flasques. Cette cage est logée dans une gorge circulaire 612 et au moins deux vis à ressort 520 débouchent dans celle-ci pour repousser ladite cage. Dans une variante de réalisation, non représentée, du système de compensation, les cages à aiguilles 660 sont remplacées par des roulements à billes qui acceptent des efforts axiaux pour remplacer les butées à billes.

Le rendement de la pompe à palettes de l'invention est relativement élevé du fait de la nature du glissement limité existant entre les palettes et les chemises rotatives. La continuité des flux d'entrée et de sortie de la pompe lui procure un fonctionnement silencieux et sans vibrations. Les accessoires, comme par exemple des condenseurs, susceptibles d'être raccordés à la sortie de la pompe bénéficient de cette régularité des flux et fonctionnent silencieusement. Elle procure des débits importants au regard de son encombrement. Sa simplicité de construction lui confère une grande fiabilité.

Utilisée en turbine volumétrique, qui exploite la détente d'un gaz pour entraîner le rotor, la turbine de l'invention présente les avantages de pouvoir fonctionner à des vitesses variables et de pouvoir supporter la présence d'une importante fraction de liquide de condensation lors de la détente. Cette dernière caractéristique autorise un plus large spectre de détente sans surchauffe.15

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1) Pompe à palettes (100), turbine à palettes, du type comprenant un rotor incluant des palettes montées libres à coulissement dans des fentes radiales, cet ensemble étant logé dans une chemise rotative montée libre à rotation dans la pompe, la turbine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux chemises rotatives (400) et en ce qu'une plaque statique de distribution (630) d'un fluide susceptible d'être aspiré et refoulé par la pompe, la turbine, pendant la rotation du rotor, est interposée entre lesdites chemises rotatives.
2. 2) Pompe à palettes (100), turbine à palettes, selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque chemise rotative (400) est montée libre à rotation, par l'intermédiaire d'un moyen de roulement (660), dans un manchon cylindrique (650) tenu entre la plaque de distribution (630) et un flasque (610).
3. 3) Pompe à palettes (100), turbine à palettes, selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque chemise rotative (400) comporte une paroi cylindrique (410), contre la face intérieure de laquelle le bord libre des palettes (210) est susceptible d'être mis en contact, ladite paroi cylindrique étant fermée d'un côté par une paroi latérale (420) contre laquelle l'un des bords latéraux des palettes (210) et du rotor (200) est mis en contact.
4. 4) Pompe à palettes (100), turbine à palettes, selon la revendication 3, caractérisée en ce que le bord libre de chaque paroi cylindrique (410) pénètre dans une gorge circulaire (634) réalisée dans chacune des faces principales de la plaque de distribution (630).
5. 5) Pompe à palettes (100), turbine à palettes, selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que la plaque de distribution (630) est traversée d'un passage cylindrique (632) coaxial avec les deux parois cylindriques (410) des deux chemises rotatives (400), le diamètre du passage cylindrique (632) étant à peine supérieur à celui du diamètre intérieur des parois cylindriques (410) de sorte que les palettes (210) puissent frôler ledit passage cylindrique (632) sans le toucher pendant leur rotation.
6. 6) Pompe à palettes (100), turbine à palettes, selon la revendication 5, caractérisée en ce que la plaque de distribution (630) est traversée radialement d'au moins un conduit d'aspiration (636) et d'au moins un conduit de refoulement (638) du fluide et qui débouchent au travers du passage cylindrique (632).
7. 7) Pompe à palettes (100), turbine à palettes, selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de compensation (500) capable de caler latéralement chaque chemise rotative (400) de sorte à compenser la pression du fluide exercée sur les parois latérales (420) pour conserver l'étanchéité requise entre l'ensemble rotor/palettes et ces parois latérales (420).
8. 8) Pompe à palettes (100), turbine à palettes, selon la revendication 7, caractérisée en ce que le système de compensation (500) comporte deux butées rotatives (510a, 510b) respectivement interposées entre les deux flasques (610) et les parois latérales (420) des deux chemises rotatives (400).
9. 9) Pompe à palettes (100), turbine à palettes, selon la revendication 8, caractérisée en ce que le calage des butées rotatives est susceptible d'être modifié en continu par l'intermédiaire de vis de réglage (520) incorporant des ressorts capables d'appliquer une pression constante sur la cage des butées et qui est tournée vers les flasques.