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Perfectionnements aux machines rotatives à fluide sous pression et machines analogues.
Cette invention est relative aux machines rotatives à fluide sous pression, pompes, moteurs, compteurs et machines analogues, agencées pour être actionnées par ou agir sur un fluide appelé ci-après fluide d'actionnement, qu'elles soient employées pour agir directement sur le fluide d'actionnement ou pour être directement actionnées par lui, ou quelles soient employées comme dispositifs tels que transmissions ou incorporées à ces dispositifs.
Pour la commodité, on appellera ci-après "machines rotatives" ces machines, pompes, moteurs, compteurs et machines analogues.
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L'invention concerne des machines rotatives du genre spécifié, comportant des organes qui délimitent entre eux une chambre à vannes annulaire et qui peuvent tourner l'un par rapport à l'autre autour de l'axe de la chambre à vannes, au moins une butée fixée à un des organes et faisant saillie à travers la chambre à vannes entre les lumières d'entrée et de sortie, et des vannes qui ont périphériquement une section transversale en forme de segment circulaire et tournent de manière continue autour de leurs propres axes dans des évidements ménagés dans une des périphéries radialement opposées de la chambre, cette périphérie étant portée par l'autre organe,
et qui sont conformées de manière que pendant une rotation relative des organes chaque vanne fasse saillie à travers la chambre à vannes et forme un joint étanche avec la périphérie opposée quand la vanne parcourt la ou les parties de la chambre non occupées par une butée, mais se retire dans son évidement et y soit contenue entièrement durant son passage devant la ou les butées.
Il est clair que, comme chaque vanne doit être entièrement contenue dans son évidement quand elle passe devant une butée, il y a une période transitoire immédiatement avant et après que chaque vanne passe devant une butée, durant laquelle, respectivement, la vanne se retire dans son évidement et en sort, et par conséquent ne fait pas joint étanche avec la périphérie opposée de la chambre à vannes bien qu'elle parcoure des parties de la chambre à vannes qui ne sont pas occupées par une butée.
La périphérie dans laquelle sont creusés les évidements à vanne sera appelée ci-après "périphérie à logements de vannes" et la périphérie opposée sera appelée "périphérie d'étanchéit". En outre, tout élément d'une vanne, qui est compris entre des éléments d'étanchéité circulaires périphériques de la vanne et constitue une interruption de la surface
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circulaire périphérique de la vanne pour permettre à celle-ci de passer devant une butée sera appelé ci-après ?élément de non-étanchéité" de la vanne. On suppose aussi, en décrivant l'invention, que l'organe portant la butée ou les butées est fixe et que l'organe portant la périphérie à logements de vannes tourne, mais il est clair que l'invention est applicable aussi à d'autres dispositions où une rotation relative se produit entre les deux organes.
Avec les machines rotatives de la construction générale citée ci-dessus, utilisant comme jusqu'à présent des vannes de section transversale approximativement en forme de segment, il est impossible de conformer le ou les éléments de non-étanchéité des vannes de manière à épouser la surface des butées près desquelles ils passent. Par conséquent, dans le cas d'une pompe ou d'un compresseur, une fraction du fluide d'actionnement est transférée du côté refoulement ou haute pression de la butée au côté entrée ou basse pression par l'espace ainsi laissé libre.
Un effet analogue peut se produire également du fait que pendant le passage de la vanne par la partie de la chambre à vannes, non occupée par la butée, (appelée ci-après partie balayée de la chambre à vannes) la vanne ne remplit pas entièrement l'évidement dans lequel elle tourne et un espace libre y est laissé par le ou les éléments de non-étanchéité de la vanne, cet espace communiquant d'abord avec le côté entrée de la chambre à vannes et ensuite, après avoir été fermé de part et d'autre, avec le côté sortie.
Dans le cas d'un moteur ceci a pour effet un certain degré de transfert de fluide d'actionnement du côté haute pression au côté basse pression de la vanne, et dans le cas d'une pompe, il en résulte un brusque afflux de fluide d'actionnement dans l'espace libre quand celui-ci vient communiquer avec le côté haute
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pression de la chambre à vannes, ce qui peut créer à un certain degré un effet de contrepression.
La présente invention a pour but d'apporter certains perfectionnements aux machines rotatives du genre précité, pour atténuer ou éliminer ces difficultés mentionnées.
A cet effet, suivant la présente invention, on donne aux vannes d'une machine rotative du genre spécifié une section transversale en forme de segment annulaire et on donne aux évidements de la périphérie à logements de vanne une section transversale pareillement en forme de segment annulaire, c'est- à-dire en forme de fente annulaire non fermée qui loge la vanne quand celle-ci passe devant la ou les butées, mais d'où la vanne fait saillie pendant sa rotation de son propre axe par rapport à la périphérie à logements de vanne pour former un joint sensiblement étanche au fluide avec la périphérie d'étanchéité.
De cette façon, la largeur de l'espace mort compris entre chaque vanne et la surface de la butée près de laquelle la vanne passe se limite à la largeur des extrémités de la fente annulaire non fermée dans laquelle la vanne tourne, au lieu de s'étendre sur la totalité de la largeur de 1'élément de non-étanchéité de la vanne comme dans la proposition précédente. On se rend aussi compte que pendant les périodes où la vanne parcourt la ou les parties balayées de la chambre à vannes, la partie non occupée de la fente annulaire est moindre qu'avec la forme précédente de la vanne, de sorte que les difficultés dues au fait que cette partie non occupée de l'évidement est amenée en communication, successivement, avec l'entrée et la sortie de la chambre à vannes se trouvent atténuées en conséquence.
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De préférence, la périphérie d'étanchéité est formée ou portée sur le même organe que la périphérie à logements de vanne, si bien que ces deux périphéries tournent ensemble.
Dans ce cas, la périphérie d'étanchéité est pourvue en regard de chaque évidement à vanne d'une cannelure ayant une surface en forme de segment circulaire de même centre et rayon de courbure que la surface extérieure de 1'.évidement à vanne, de manière à former un joint étanche avec la surface en forme de segment circulaire de la vanne quand la vanne fait saillie dans la chambre à vannes.
On se rend compte qu'avec cette disposition chaque évidement à vannes et sa cannelure peuvent être produits en une seule opération d'alésage, la cannelure constituant en fait une partie de la surface extérieure de l'évidement à vanne à l'endroit où cette surface extérieure, après avoir été interrompue par la chambre à vannes, se prolonge dans la périphérie d'étanchéité Non seulement cette disposition procure une étanchéité par surface entre les vannes et la périphérie d'étanchéité, mais encore elle présente l'avantage de rendre inutile une précision parfaite dans le placement des axes des vannes,
vu qu'une légère imprécision ne peut avoir pour résultat qu'une cannelure un peuplus large ou étroite sans influer sur l'obtention d'un joint sensiblement étanche à la pression entre les vannes et la périphérie d'étanchéité coopérant avec les vannes.
Dans les machines rotatives du genre spécifiée les vannes tournent, avantageusement, par rapport à la périphérie à logements de vannes en sens inverse de la rotation de cette périphérie. Avec la présente invention, quand le bord d'attaque de la vanne en forme de segment annulaire a dépassé le bord d'attaque d'une butée, une partie du fluide d'actionnement est emprisonnée dans l'extrémité ouverte de la fente annu-
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laire dans laquelle se déplace la vanne et le déplacement subséquent de la vanne tend à comprimer ce fluide emprisonné.
En outre, dans une machine à fluide gazeux lubrifiée à l'huile, de l'huile lubrifiante peut être emprisonnée de manière analogue. Suivant une autre caractéristique de l'invention, pour faire face à cette difficulté, ce qui est avantageux notamment quand le fluide d'actionnement est sensiblement incompressible, on peut prendre des dispositions pour faire communiquer l'extrémité d'attaque de chaque vanne, quand elle passe devant une butée, d'abord avec le côté sortie de la chambre à vanne, puis quand l'extrémité de fuite de l'évidement à vanne a dépassé le bord d'attaque de la butée, avec l'extrémité de fuite de l'évidement à vanne.
De cette façon on empêche la production, dans l'évidement, d'une pression excessive par l'extrémité avançante de la vanne et on assure une sensible égalisation des pressions agissant respectivement sur les bords d'attaque et de fuite de la vanne. Par exemple, le rayon de courbure de la périphérie de l'organe concentrique dans lequel sont creusés les évidements peut, aux deux extrémités de chaque évidement à vanne, être légèrement moindre qu'aux parties restantes de cette périphérie qui fait joint étanche avec la butée. A titre d'alternative, on peut obtenir le même résultat en employant des fentes ou lumières appropriées.
Un autre avantage important de l'invention consiste en ce que, puisque l'organe concentrique dans lequel tournent les vannes comporte des parties qui font saillie axialement dans les vannes en forme de segment annulaire et constituent les parois intérieures des évidements à vanne annulaires, les portées servant à soutenir ces vannes peuvent être logées dans ces parties de l'organe concentrique et, par conséquent, elles peuvent être constituées par des roulements à rouleaux allongés
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sans accroître indésirablement la longueur axiale totale de la machine.
L'invention peut être mise en pratique de diverses manières, mais une seule construction conforme à l'invention est représentée assez schématiquement, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés qui montrent en outre une variante de l'invention et comportent des vues schématiques servant à illustrer le principe général de l'invention.
Dans les dessins annexés:
Fig. 1 est une coupe axiale longitudinale d'une construction de machine rotative conforme à l'invention,
Fig. 2 est une coupe transversale de la machine représentée sur la Fig. l, faite suivant la ligne II-II de la Fig.l, - Figs. 5, 4 et 5 sont des vues schématiques servant à illustrer plus clairement le principe général de l'invention, et
Fig. 6 représente une variante constructive de l'invention.
Dans la construction représentée sur les Figs. 1 et 2, la machine qui est de la même construction générale que celle décrite avec référence à la Fig. 10 des dessins du brevet n .418.169, mais à deux vannes simples, comporte un rotor 1 de forme générale cylindrique et un stator 2. Le stator 2 comprend deux flasques 3 et 4 dont l'un est traversé par un arbre de transmission 5 rigidement relié au rotor et supporté dans un roulement à billes 7 en vue de soutenir l'autre extrémité du rotor, comme représenté.
Dans le rotor 1, concentriquement à celui-ci, sont ménagés deux évidements annulaires 8 et 9 pénétrant le rotor depuis ses extrémités opposées et constituant des chambres à vannes annulaires. Dans chaque chambre annulaire, entre une entrée 10 et une sortie 11 pour un fluide d'actionnement, une butée fait saillie dans l'enveloppe statorique 1 2, ces butées
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étant désignées par les chiffres de référence 12 et 13. La partie intérieure du rotor 1 c'est-à-dire celle qui constitue les parois intérieures des évidements 8 et 9, est creusée de deux évidements 14 et 15 d'une section transversale en forme de segment circulaire, dont les axes sont parallèles entre eux et à l'axe de rotation du rotor et qui sont conformés comme représenté.
La longueur axiale des évidements 14 et 15 est sensiblement égale à l'écartement entre la paroi d'extrémité extérieure de la chambre à vannes 8 et la paroi d'extrémité extérieure de la chambre à vannes opposée 9, et dans chaque évidement tourne une vanne 16 de section transversale en forme de segment annulaire, dont la longueur axiale est égale à celle des évidements 14 et 15. On voit ainsi que la partie intérieure du rotor 1 constitue la périphérie à logements de vannes. Chaque vanne 16 est solidaire d'une bride médiane 17 qui sert à relier la partie périphérique en forme de segment annulaire de la vanne à un arbre de vanne 18 dont les extrémités sont logées dans des alésages 22 de la partie médiane du rotor.
La surface périphérique de chaque bride 17 est circulaire aux endroits où elle traverse la partie interrompue de la circonférence de la vanne et a un rayon de courbure égal à celui de la périphérie extérieure de la vanne. En outre, la partie de chaque bride, traversant la partie interrompue de la circonfé- rence de la vanne, peut être massive, tandis que sa partie située entre l'arbre 18 et la vanne peut être creuse de manière à assurer l'équilibre dynamique de la vanne quand celle-ci tourne autour de l'axe de son arbre.
Comme on s'en rend compte le rotor 1 est creusé de courts évidenents cylindriques 19 pour recevoir les brides 17, la longueur axiale de ces évidements étant sensiblement égale à celle des brides.
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Chaque arbre de vanne 18 est muni d'une paire de roulements à rouleaux allongés 20, 21 disposés dans des alésages 22 de la partie médiane du rotor 1, et aussi d'un roulement à billes 23 constituant un support supplémentaire.
Les arbres de vannes et, avec eux, les vannes sont montés pour tourner dans le rotor autour de leurs propres axes en sens inverse de la rotation du rotor et de manière que chaque vanne exécute,une révolution dans son évidement pour chaque révolution complète du rotor autour de l'axe de l'arbre 5. A cet effet, il est prévu un train de transmission épicycloidal qui comporte des satellites 24 fixés aux arbres à vanne 18, une roue planétaire rixe 25 montée sur l'enveloppe rotorique 2 et deux roues intermédiaires 26, 27 dont chacune engrène avec un des satellites 24 et avec la roue planétaire 25. Toutefois, on peut aussi employer des trains de transmission ou d'autres mécanismes analogues pour produire la rotation voulue des vannes dans leurs évidements autour de leurs propres axes quand le rotor tourne.
Dans la périphérie extérieure de chaque chambre à vannes, en regard de chaque évidement à vanne, c'est-à-dire dans la périphérie d'étanchéité coopérant avec les vannes, est creusée une cannelure axiale 28 dont la surface est concentrique aux évidements à vanne 14,15 et constitue en fait une continuation ou une partie de la surface extérieure de l'évidement à vanne, si bien que, quand pendant la rotation la périphérie extérieure de la vanne passe sur la surface de la cannelure, elle forme avec celle-ci un joint étanche à jeu minime.
De cette manière, en alésant les .évidements à vanne, on forme automatiquement les cannelures, et on voit que de cette manière on peut obtenir une étanchéité satisfaisante entre les vannes et la périphérie d'étanchéité, sans la nécessité d'assurer une
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précision parfaite dans le placement des axes des vannes, et qu'en outre on obtient entre la vanne et les périphéries extérieure et intérieure de la chambre à vannes une séparation étanche par surface, avec les avantages propres à ce mode de séparation étanche, sur une séparation étanche linéaire.
Il faut observer que les autres surfaces à mouvement relatif de la machine, qui pendant le fonctionnement forment joint étanche, assurent avantageusement elles aussi une séparation étanche à jeu minime. Ainsi, les périphéries intérieures des chambresà vannes 8 et 9 forment avantageusement un joint étanche à jeu minime avec les faces intérieures des butées 12 et 13 et, de même, les périphéries extérieures des chambres à vannes forment un joint étanche à jeu minime avec les surfaces extérieures des butées. D'autre part, les extrémités opposées des butées forment avantageusement un joint étanche à jeu minime non seulement avec la bride 17, mais encore avec la par tie médiane en forme de bride du rotor, qui est disposée radialement dans le plan de la bride 17 entre les extrémités adjacentes des chambres à vannes 8 et 9.
De manière analogue, la surface circonférentielle extérieure du rotor forme un joint étanche à jeu minime avec la partie entourante de l'enveloppe statorique 2.
Si on se reporte aux figs. 3, 4 et 5, qui sont des coupes transversales de machines de la construction spécifiée, faites dans le rotor, la butée et une vanne, on voit sur la Fig. 3 une disposition dans laquelle, comme jusqu'à présent, les vannes ont approximativement la forme de segment de cercle, et sont appliquées à une construction où l'enveloppe statorique constitue la périphérie extérieure de la chambre à vannes et où les vannes forment ainsi un joint linéaire étanche à jeu minime avec la périphérie extérieure quand elles tournent dans
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leurs évidements et d'une pièce avec le rotor.
Dans cette construction, le rotor est désigné par la, le stator par 2a, les lumières d'entrée et de sortie respectivement par 10a et lla, la chambre à vannes annulaire par 8a la butée par 12a et les vannes par 16a.
On voit que dans la construction représentée sur la Fig. 3 qui montre le rotor dans la position où une vanne passe devant la butée 12a, il y a un notable volume ou espace mort dans l'évidement à vanne entre la partie non hermétique de la vanne et la surface de la butée.
Les Figs. 4 et 5 montre schématiquement deux positions du rotor dans une construction conforme à l'invention où, au lieu de faire partie du rotor, comme dans la construction représentée sur les Figs. 1 et 2, la périphérie extérieure de la chambre à vannes est fixe et seule la périphérie intérieure tourne, les vannes formant ainsi avec la périphérie extérieure un joint étanche linéaire à jeu minime. Ainsi, dans cette construction, 1 est le rotor,,2 est le stator, et 12 est la butée disposée en travers de la chambre à vannes 8 entre les lumières d'entrée et de sortie 10 et 11, tandis que 16 représente une des vannes.
La Fig. 4 montre le rotor dans une position correspondant à celle de la Fig. 3 et on voit que dans la construction conforme à l'invention l'espace mort laissé dans l'évidement à vanne est très notablement inférieur vu qu'il se limite aux deux extrémités de l'évidement annulaire 14.
La Fig. 5 montre le rotor dans la position où l'extrémité d'attaque de l'évidement à vanne a dépassé le bord d'attaque de la butée 12, tandis que l'extrémité de fuite de l'évidement à vanne est encore dans la chambre à vannes.On voit que lorsque le rotor continue à tourner en approchant de la position représentée sur la Fig. 4, le mouvement de la vanne tend
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à comprimer le fluide entre le bord d'attaque de la vanne et la butée 12. Pour surmonter cette difficulté, on peut creuser une ou plusieurs rainures peu profondes 30 entre les extrémités de chaque évidement à vanne, ou on peut légèrement diminuer le rayon de courbure de la surface de l'évidement pour constituer un conduit d'évacuation.
Ce conduit fait office d'un passage par lequel le fluide d'actionnementpeut s'échapper de l'espace situé dans l'évidement à vanne en regard du bord avan- çant de la vanne. On voit que le conduit 30 communique avec le côté sortie de la chambre à vannes jusqu'à ce qu'il soit fermé par la partie de la périphérie du rotor, située immédiatement en arrière de l'extrémité de fuite de l'évidement à vanne, après quoi, jusqu'au moment où l'extrémité d'attaque de l'évidement dépasse l'extrémité de fuite de la butée, le conduit 30 peut servir de passage de communication par lequel le fluide peut passer d'une extrémité de l'évidement à vanne à l'autre.
Afin d'augmenter le rendement de la machine rotative conforme à l'invention, notamment quand le fluide d'actionnement est compressible comme dans le cas d'un compresseur d'air, une soupape de retenue peut éventuellement être aménagée dans la sortie de la chambre à vannes, cette sortie étant de préférence disposée aussi près que possible de l'extrémité de sortie de la chambre à vannes. De cette façon la contrepression qui autrement agirait sur les vannes pendant la majeure partie de leur course effective autour de la chambre à vannes est coupée par la soupape de retenue qui s'ouvre toutefois automatiquement quand le fluide se trouvant en regard de chaque vanne atteint la pression voulue pour permettre au fluide de passer à la sortie.
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La Fig. 6 montre une pareille variante de l'invention, appliquée à une construction qui peut de manière générale être analogue à celle représentée sur les Figs. 1 et 2. Ainsi, sur la Fig. 6, une soupape de retenue désignée par 31 est disposée dans le passage de sortie 11.
La Fig. 6 montre aussi une variante destinée à procurer un plus grand rapport de compression quand on opère sur ou avec de l'air ou un fluide d'actionnement compressible analogue et .qu'on emploie une soupape de retenue comme celle spécifiée cidessus. Dans cette construction, le côté de la butée adjacent à la sortie est prolongé, comme indiqué en 32 et reçoit sur toute la longueur de ce prolongement un contour intérieur qui suit approximativement le trajet parcouru par le bord de fuite de chaque vanne après que celle-ci a cessé de porter hermétiquement contre la périphérie extérieure de la chambre à vannes préalablement au passage devant la butée.
De cette manière, on voit que le volume de fluide compris entre chaque vanne et la butée immédiatement avant que la vanne cesse de porter hermétiquement contre la périphérie extérieure de la chambre à vannes est diminué et que le rapport de compression est ainsi augmenté.
Il est clair que la présente invention peut être appliquée aux machines rotatives du type décrit dans le brevet n .418169, où il est prévu des dispositifs pour faire varier la longueur effective de la chambre à vannes et, partant, la capacité de la machine.
Il est clair aussi que les formes constructives de l'invention peuvent varier notablement. Par exemple, dans une construction en général analogue à celle représentée sur les Figs. 1 et 2, le conduit 28 peut être omis et les périphéries des vannes peuvent faire joint étanche linéaire avec la pé- riphérie extérieure de la chambre à vannes. Toutefois, quand
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on désire des rendements volumétriques élevés, il est habituellement préférable de ménager les conduits qui procurent ainsi une séparation étanche par surface comme entre les vannes et la périphérie extérieure de la chambre à vannes.
Quand l'invention est appliquée à un dispositif de transmission, il faut observer que ce dispositif, si on l'utilise pour un embrayage à glissement, peut comporter une seule machine rotative conforme à l'invention avec des moyens d'étrangler ou de fermer à volonté la sortie, tandis que si on l'utilise comme un convertisseur de couple, il peut comporter deux machines rotatives conformes à l'invention accouplées entre elles de manière que le fluide débité par l'une d'elles, constituant une pompe, soit envoyé à l'autre, fonctionnant comme moteur, avec ou sans moyens de faire varier la capacité d'une ou de chacune des machines rotatives en vue de faire varier le rapport de couples ou de vitesses transmis par le dispositif.
En outre, il est à remarquer que le rotor, le stator et les autres éléments peuvent être assemblés de diverses manières ainsi qu'on le trouvera avantageux.
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