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Compresseur à deux rotors plus particulièrement applicable aux machines frigorifiques à vapeur d'eau.
La présente invention système Darrieus, se rapporte aux compresseurs volumétriques rotatifs comportant deux rotors excentrés l'un par rapport à l'autre en contact mu- tuel par deux profils conjugués, dans lesquels le travail -.;' de compression du fluide est obtenu par pénétration. des.. saillies de l'un des rotors dans les cavités correspondan- tes de l'autre, à la manière d'un engrenage interne.
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En partipulier, et à titre d'exemple,on consi- dèrera l'application de l'invention à des compresseurs dont les deux rotors ont des profils conjugués de symétrie axiale d'ordre n et n + 1 respectivement.
L'invention a pour objet des perfectionnements apportés aux compresseurs des types ci-dessus en vue de les rendre utilisables en particulier dans les machines frigorifiques pour la compression de la vapeur d'eau à basse pression.
L'adoption si avantageuse à beaucoup d'égards de la vapeur d' eau comme fluide frigorifique se heurte en ef- fet à diverses difficultés qui découlent principalement du volume spécifique considérable de cette vapeur aux basses pressions. En effet,tandis que les turbo-compresseurs du modèle courant seraient en principe particulièrement bien adaptés aux grands débits volumétriques que nécessite l'em- ploi de la vapeur d'eau, la prédominance dans les gaz à très faible pression des forces de viscosité sur toutes les autres qui dépendent de la pression ou de la masse, comme les forces d'inertie, en rend le fonctionnement im- possible,ou le rendement dérisoire dans le cas'présent.
Force est donc de recourir aux appareils dits volumétriques, à piston ou rotatifs, où la compression n'effectue par dé- limitation dans une enceinte close, de volume variable , d'une quantité définie de fluide.Enfin, l'obligation pour garder des dimensions raisonnables de recourir à de gran- des vitesses élimine,avec les machines à piston, toutes cel- les,dites rotatives,qui comportent encore des pièces,comme des palettes, en mouvement plus ou moins alternatif,et ne
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permet de retenir en définitive, que les saules machine s vraiment rotatives, composées de retors massifs tournant autour de leur axe de symétrie et par la même équilibrés*
Il a déjà été proposé de former une telle ma- chine de deux retors excentrés l'un par rapport à l'autre* présentant respectivement,
l'un. en creux, l'autre en relief , n et n + 1 saillies symétriquement disposées autour de leur axe, dont les profils sont conjugués comme ceux des engre"' nages, de manière à délimiter entre leurs points de con- taot une série de capacités, dont le volume varie périodi- quemeht lorsque les deux rotors tournent ensemble, chacun autour de son axe propre, à des vitesses proportionelles respectivement à n + 1 et n. '
Dans les formes déjà connues, le maintien de l'é- tanchéité exige, soit l'emploi de garnitures mobiles ana- logues à des segments, portées par l'un des rotors, et main- tenues au contact du contour de l'autre, soit un contact assez étroit des profils conjugués invariables des deux ro- tors.
En outre, oes profils conjugués sont en général pour chaque rotor, mixtes, c'est à dire composée de portions consécutives, en forme de festons, d'épicycloides et d'hy- pocycloides raccordées en leurs ,pointa de rebroussement.
Dans les deux cas, la suppression du jeu entre les deux rotors interdit le recours aux vitesses élevées néces- saires, en raison des frottements excessifs qui résultent des déformations et dilatations inévitablès,
Une caractéristique essentielle de la présente invention réside dans le fait qu'un certain jeu est systé- matiquement ménagé, par construction, entre les parties tour- nantes;
comme dans les turbo-machines,sans que l'étanchéité entre deux chambres voisines soit compromise,
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C'est précisément le fluide à comprimer qui assure lui-même cette étanchétté, à l'exclusion de tout segment, et généralement à l'exclusion de toute pièce métallique ou autre, qui serait, suivant la pratique usuelle, portée par l'un des rotors et frotterait sur l'autre, Tous les frottements entre parties quelconques des deux ro- tors, ou entre pièces solides, solidaires de l'un ou l'autre d'entre eux sont ainsi systémqtiquernent suppri- més et il n'existe à la,
périphérie de ces rotors que les frottements entre la surface de ces solides et le fluide raréfié qu'il s'agit de comprimer. On supprime aussi l'in- tervention de tout lubrifiant entre les surfaces en mou- vement relatif. C'est également le fluide lui même qui en joue le rôle.
L'expériance montre que dans les conditions visées par la présente invention de l'application à un fluide où la viscosité prédomine, l'existance du jeu systéma- tique spécifié ci-dessus, pourvu qu'il se maintienne entre certaines limites, n'entraîne pas de fuites sensi- bles du fluide entre la chambre o il est comprimé et les , chambres' voisines où règnent des pressions moindres, L4utilisation; dans les machines sus visées, de ce phénomène en apparence surprenant, constitue l'un des points fon- damentaux de la présente invention,
Ce phénomène peut être analysé comme il suit:
l'écoulement d'un fluide visqueuse ,t dans un canal étroit, que l'on désignera sous le nom d 'entrefer, dépend, non seulement, comme dans les labyrinthes des turbines, de la largeur de cet entrefer, et du nombre des étranglements successifs qu'il présente à l'écoulement, mais encore dans une très large mesure de la forme et de l'étendue
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de cet entrefer dans le sens du. courant,
Si l'on considère par exemple le cas de la fuite dtune chambre de compression vers celle adjacente ou rogne une pression moindre, par l'entrefer qui est systémati- quement ménagé suivant l'invention, dans la région du point de contact des deux profils ( fig. l) ;
dans le voisinage de ce point de contact, si les deux profils présentent une courbure continue, l'entrefer h pourra s'exprimer en première approximatation sous la forme: h = a + b xê en désignant par a le jeu ou entrefer minimum entre les deux rotors, x l'arc compté à partir du point correspon-' dant, et 2b un coefficient constant égal à la différence algébrique de courbure des deux profils au voisinage de leur point de contact.
Dans ces conditions, le calcul montre que les forces d'inertie* dont dépend principale- ment la vitesse acquise dans l'entrefer, pour le cas ordinaire des labyrinthes de turbo-maohines, sont au contraire négligeables dans le cas présent vis-à-vis des forces de viscosité,
Il est dès lors possible de montrer que le débit total de faite par unité de longueur d'entrefer suivant la génératrice dépend non seulement de l'entrefer minimum a,
mais encore de la courbure b qui caractérise la forme respective des deux rotors au voisinage de leur point de contact et qui est dtautant plus faible que les pro fil s correspondants s'épousent de plus près l'un l'autre dans cette région*
L'entrefer a qui représente la distance minima' séparant les deux rotors dans les positions où ils sont
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le plus rapprochés ne peut être réduit en de @a d'une certaine limite pour des raisons de sécurité mécanique , cet entrefer doit en effet être toujours assez large pour que, malgré les dilatations thermiques ou les allongements mécaniques que peuvent subir les organes lorsque la machi- ne est en fonctionnement, il ne se produise jamais de con- tact ;
par contre, il est possible par un choix convenable de profils de réduire la fuite en agissant sur b,
En conséquence, dans le compresseur qui fait l'objet de l'invention, les profils con jugés des deux rotors ne présentent nulle part de point de rebrousse- ment, c'est-à-dire de rayon de courbure nul; par contre, ces profils sont choisis de telle sorte que le rayon de courbure y soit partout supérieur à un certain minimum de l'ordre de grandeur, de deux à trois fois la distance entre axes des rotors eux-mêmes, de manière que la fuite pour un entrefer donné reste aussi petite que possible, quelle quesoit la position du point de contact le long des profils.
Par exemple, suivant une forme préférée de l'in- vention, qui fait l'objet de la fige 2, le profil du rotor --intérieur est l'enveloppe d'une portion seulement 1 du pro- /d'assez grand rayon.Tandis que fil du rotor extérieur, constitué par un arc de cercle, c d/ le point de contact oscille le long de cet arc de cercle --------- il décrit d'un mouvement conntinu toujours dans le même sens le profil conjugé 2 du rotor intérieur qui, se trouvant en- tièrement tracé d'une seule venue, répond ainsi à une dé- finition analytique unique, et ne présente nulle part de point singulier comme ceux des profils formés par juxtapo- sition d'épicycloïdes et d'hypocloïdes, c'est-à-dire de courbes analytiques distinctes.
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Cette conntinuité de profil entratne d'abord l'avantage d'une taille plus aisée et plus sûre en éliminant la difficulté que présente le raccordement par- fait en leurs points de rebroussement de deux courbes différentes qui doivent être taillées successivement, Elle assure, d'autre part, comme il a été dit plus haut, une étanchéité plus grande à entrefer égal, pour toutes les positions ouooessives du point de contact le long des profils, en maintenant toujours aussi faible que possible la différence de courbure respective des deux profils opposés.
En raison du jeu que doivent conserver l'un par rapport à l'artre les deux rotors 1 et 2, 1'entraîne- ment mutuel ne peut être assuré par les profils conjugés, mais doit être confié à un Engrenage dont les roues dentées e et g representées sur la coupe longitudinale de la fig. 4 doivent avoir les mêmes cercles primitifs gre les - prof ils eux-mêmes.
Outre les faites dont il vient d'être question.. d'une chambre dé compression à la voisine par les points de contact entre les profila des deux rotors, un compres- seur du genre de celui qui fait l'objet de l'invention comporte d'autres catégories de faites-, les unes' se font entre les deux rotors le long de leurs flasques latérales et font communiquer les chambres de compression entre elle$, ou avec: l'aspiration du compresseur;
les autres se font entre le rotor extérieur et le carter ou stator qui entoure' les pièces mobiles, et elles font communiquer directement le refoulement du compresseur aveo l'aspiration,
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En raison du long développement de ces entrefers entre les régions amont et aval du compresseur où¯ règnent des pressions différentes, le gradient de pression y de- meure très faible et ne determine en général du refoulement vers l'aspiration qu'un courant de fuites très réduit, par contre, la vitesse du fluide en travers du joint est pres- que exclusivement régie par le mouvement relatif des deux parois en regard qui constituent l'entrefer et auxquelles il adhère parfaitement en vertu de sa viscosité.
Par suite de la répartition linéaire d'une paroi à l'autre de la vi- tesse tangentielle qui en resulte pour le fluide, le volume transportépar rapport à la paroi fixe du fait du mouvement de la paroi mobile correspond à une vitesse moyenne, moi- tié de la vitesse de la paroi,
Dans la région relativement courte de la péri- phérie du compresseur 11 qui va de l'orifice de refoule- ment R à l'orifice d'aspiration A, cet entraînement de fluide se produisant dans le sens du mouvement des rotors tel qu'il est indiqué par la flèche de la fig. 2 est nui- sible puisqu'il constitue un retour du refoulement vers l'aspiration,, et par conséquent une fuite.
Il y a donc intérêt à réduire l'entrefer, dans cette région, dans toute la mesure compatible avec la sécurité de fonctionnement et le maintien à une valeur admissible de la perte par frottement ou viscosité qui est en raison inverse de l'entre- fer,
Par contre, dans la région beaucoup plus develop- pée k o de la périphérie qui va de l'aspiration A au re- feulement R, le fluide ainsi, transporté par le mouvement du rotor participe au débit utile quoique avec un rende- ment moindre, de la même manière que, dans les pompes
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dites moléculaires du genre Gaëde ou Holweck, Dans cette région l'entrefer peut donc être augmenté utilement dans une assez large mesure sans risque de reflux nuisible dû à la contrepression.
Conformément à cette observation, le compres- seut qui fait l'objet de l'invention, présente un entrefer différent dans les régions! 1 et k o réalisé par exemple par un alésage excentrique de la région k o de l'enveloppe.
Le maintien- , même aux grandes vitesses, d tune valeur convenable de l'entrefer, jamais nulle mais pas trop grande, exige enfin que les déformations des profile des rotors dues à la force centrifuge demeurent aussi réduites que possible,,
Dans ce but, les rotors qui constituent le com- presseur faisant l'objet de l'invention sont évidés, et leur masse restante est répartie de telle sorte que le polygone :funiculaire des forces centrifuges appliquées. suive partout d'aussi près que possible l'axe neutre des parois relativement minces qui les composent, de manière que tout moment -de flexion y soit supprimé et que les déformations se réduisent ainsi à celles très faibles qui proviennent de la seule extension de la fibre neutre.
La fig. 4 représente par exemple Inapplication de ce principe au rotor intérieur. La portion BCD con- vexe qui s'étend entre les points d'inflexion B et, présente ainsi une forme analogue aune corde à sauter dont la masse, variable par unité de longueur est préci- sèment répartie de manière telle que la forme d'équi- libre sous l'influence de la force centrifuge d'une pa- reille corde supposée inextensible mais parfaitement
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flexible,corresponde à celle requise pour le contour exté- rieur.
A partir des points d' inflexion B et D qui consti- tuent à l'égard de la portion convexe, et sauf le signe des efforts, une sorte de culée, la transmission des tensions jusqu'au moyen requiert l'adjonction de cloisons internes telles que BF, FD, FO dont le tracé satisfait encore à la condition de supprimer en tout point,par une courbure con- venable, le moment de flexion.
L'application du même principe au totor extérieur représenté par la fig.2 se ramène à cette condition que la répartition de la force centrifuge le long de la périphé- rie soit à peu près uniforme, de manière que les frettes f qui assurent la résistance du corps du rotor, ne soient sou- mises à aucune flexion tendant à altérer leur forme circu- laire.
L'application de cette condition requiert l'adjonc- tion,dans les parties amincies qui présentent naturellement un défaut de masse, de masses additionnelles m , en plomb, par exemple, pour rétablir l'équilibre.
REVENDICATIONS.
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