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Compresseur rotatif sphérique.
La présente invention a pour objet un compresseur rota- tif du type volumétrique, à grand/débit et de faibles dimensions, à nombre de tours élevé et offrant la possibilité de fonctionne- ment des basses aux hautes pressions.
On a appelé sphérique ce compresseur parce que les chambres où l'aspiration et la compression se produisent sont limitées partiellement par des parois sphériques.
Dans les dessins annexés, une forme de réalisation de la machine du type industriel, est illustrée à titre d'exemple.
La fig. 1, est la coupe transversale des figures 2 et 3 suivant le plan I-I.
La fig. 2 est la coupe longitudinale des figures 1 et 3 suivant le plan II-II.
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La fig. 3 est la coupe transversale des figures 1 et 2 suivant le plan III-III.
La fige 4 montre un détail du compresseur.
La fig. 5 est la coupe du même détail suivant la ligne V-V de la fig. 4.
La fig. 6 est la coupe suivant la ligne VI-VI de la fig. 4.
La fig. 7 illustre une vue des organes de retenue de l'air.
La fig. 8 est la coupe suivant la ligne VIII-VIII de la fig. 7.
La fig. 9 illustre en perspective les conditions géomé- triques auxquelles doit satisfaire un organe du compresseur.
Les figs. 10 et 11 illustrent, en deux coupes suivant les plans X-X, XI-XI de la fig. 2, certains éléments du compres- seur.
Un arbre 1, supporté à ses extrémités par des paliers coniques et raccordé par un joint à un moteur, présente au milieu de sa longueur une partie carrée 2 (figs. 1 et 2).
Un gros tourillon 3 est monté normalement à l'axe de l'arbre 1 (fig. 2); il est entraîné en rotation par l'arbre moteur et tourne dans le plan normal à son axe.
Sur la surface cylindrique de ce tourillon sont montées deux paires de clapets 4 qui peuvent glisser transversalement sur lui ; chaque paire est composée de deux demi-cercles solidaires, de manière à former un V très ouvert (figs. 1 et 3).
Les deux paires de clapets entourent alternativement, par de grandes ouvertures, le tourillon 3 (figs. 2-10-11), pivotant sur lui, de manière que deux clapets opposés, chacun faisant partie d'une paire, peuvent s'approcher et s'éloigner.
Comme dit plus haut, le profil longitudinal des clapets 4 est exactement en arc semi-circulaire; les clapets dont le nombre
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est de quatre sont identiques entre eux, et les centres de leurs bords semi-circulaires coïncident au point de croisement de l'axe du tourillon 3 avec l'axe de l'arbre moteur 1(centre du système).
Les clapets 4 sont capables de deux mouvements, dont l'un de rotation, puisqu'ils sont actionnés par l'arbre moteur 1, et l'autre de pivotement autour de leur tourillon 3 (figs. 1 et 3).
Les bords semi-circulaires des clapets dans toutes les combinaisons de ces deux mouvements décrivent toujours des surfaces sphériques ayant comme centre le point de croisement de l'axe de l'arbre 1 avec celui du tourillon, ou centre du système.
Le recouvrement des bords semi-circulaires des clapets 4 par des surfaces sphériques fixes complète la formation de deux chambres, dont chacune est formée par deux clapets opposés, et par la surface sphérique intérieure comprise entre les deux.
Les surfaces sphériques sont les surfaces intérieures des deux coquilles 7 qui, boulonnées entre elles, composent l'en- veloppe du compresseur (Figs. 1, 2 et 3).
Si l'on produit, pendant la rotation de l'arbre 1, un mouvement d'oscillation des clapets (une oscillation complète à chaque tour), chacune des deux chambres passe d'un volume maximum à un volume minimum et viceversa.
Dans l'une des chambres on a l'aspiration pendant un demi-tour, la compression pendant le demi-tour suivant et, par conséquent, deux aspirations et deux compressions à chaque tour du compresseur.
Le mouvement alterné d'oscillation des clapets sur le tourillon pendant sa rotation dans le plan normal à l'axe de l'ar- bre 1 est déterminé par le roulement des galets 5 qui peuvent rouler sur une piste de guidage 6, fixe en position (Figs. 1 et 3).
Les galets 5, dont le nombre est de deux pour chaque paire de clapets, sont fixés à ces derniers, et placés diamétrale- ment avec leur axe dans le plan médian normal aux deux demi-cercles.
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La surface des pistes de guidage ou anneaux 6 est un cône dont le sommet est au centre du système, de manière à pré- senter aux galets 5 toujours une génératrice de contact à laquelle les axes de rotation des galets sont parallèles (fig. 1).
Les plans de base des deux pistes de guidage 6 (pro- jections b-b fig. 1) ont la même inclinaison relativement à l'ar- bre 1 ; sont rapprochés dans la partie supérieure du compres- seur et éloignés dans la partie inférieure.
Par la rotation de l'arbre 1, le tourillon 3 qui lui est perpendiculaire met en rotation les deux paires de clapets 4 qui, commandées par les galets 5 toujours en contact avec les deux pistes de guidage 6, pareillement inclinées, sont contraintes de s'éloigner et se rapprocher ensuite.
A chaque tour, les clapets ont un mouvement qui est com- posé d'une rotation autour de l'arbre 1 avec une oscillation com- plète autour du tourillon 3; ce mouvement développé sur un plan est représenté par une sinusoïde.
L'entrée de l'air dans le compresseur se fait par la chapelle 8, et à travers l'ouverture circulaire 9 (figs. 2 et 3); la sortie se fait de la partie opposée à travers l'ouverture 10 et la conduite 11.
Les deux ouvertures sont symétriques au plan de rotation du tourillon 3. Elles ont un diamètre moindre que celui du touril- lon et elles sont donc couvertes par ce dernier comme c'est illus- tré dans la position de la fig. 2.
L'aspiration de l'air commence lorsque le tourillon 3, avec l'une de ses grandes têtes d'extrémité sphérique 12 a décou- vert l'ouïe d'aspiration 9.
Dans cette position, les clapets supérieurs 4 sont un peu ouverts, ils ont créé une dépression et l'air entre par l'ouïe 9 dans la chambre qu'ils délimitent.
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Les clapets 4 (figs. 1 et 2) continuent à s'ouvrir jus- qu'à ce qu'ils aient atteint, après un demi-tour, la position in- férieure d'ouverture maximum, où l'aspiration finit à cause de la fermeture de l'ouïe 9 par l'autre tête 12.
Pour faire affluer l'air même lorsque les têtes 12 cou- vrent les ouïes 9, au commencement et particulièrement à la fin de l'aspiration, il est prévu au centre de chaque tête 12 un trou qui termine une petite conduite coudée 13, percée dans la tête même, pour faire communiquer la chambre d'aspiration avec l'atmosphère.
Vers la fin de l'aspiration, à cause de la vitesse acquise par l'air, celui-ci peut encore entrer par la conduite 13 dans la chambre, ce qui produit une condensation et par conséquent un plus grand rendement volumétrique.
Au demi-tour suivant, deux clapets opposés 4 commencent à se fermer, toute communication avec l'extérieur est interrompue, et la compression de l'air commence. (La chambre qui commence la compression est celle d'en bas - fig. 1).
Au-dessus de l'ouïe circulaire de sortie 10 (Figs. 2 et 3) dont le diamètre est beaucoup plus petit que celui des têtes d'extrémité 12, une soupape de retenue automatique 14 s'ouvre vers le dehors. Elle est placée dans la conduite 11 qui amène l'air dans le réservoir de compensation..
La soupape 14 s'ouvre lorsque la pression de l'air a sur- monté l'action antagoniste du ressort et la pression au-delà dans la conduite. Les limites de pression entre lesquelles ce type de compresseur peut fonctionner sont très larges. La limite inférieure est donnée presque totalement par la résistance du ressort de la soupape, la limite supérieure est donnée par la force des pièces en mouvement, par l'inclinaison des pistes de guidage 6 en pa- reilles conditions, la puissance du moteur et le degré de l'étan- chéité à l'air (ces limites peuvent varier de 1,5 à 8 atm. abso- lues).
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La compression continue, jusqu'à ce que'les clapets se soient rapprochés au maximum. Cette distance peut être diminuée (position supérieure des clapets - fig. 1), en réduisant au mini- mum l'espace nuisible.
Avant que cette position limite soit atteinte, et après la fermeture de l'ouïe de sortie 10 par les têtes 12, l'air con- tinue de sortir de la chambre de compression par la conduite coudée 13.
Des rainures 15, à la base de chaque clapet 4 (figs. 1, 2 et 3), forment, lorsque les clapets sont fermés, une conduite pour amener l'air comprimé restant dans la conduite coudée 13, en communication avec le soupape automatique 14.
Dans ce type de compresseur, comme dans ceux à piston, l'échappement de l'air est pulsatoire ; ilfaut alors avoir un ré- servoir de compensation, dont le volume est réduit, à parité de portée, par le fait d'avoir deux envois à chaque tour.
Les galets 5 sont sollicités de presser continuellement contre les guidages de glissement 6 par de petits ressorts à lame 16, placés dans la cuvette 17 percée dans la paroi du clapet 4, dans lequel pénètre le pied du bras pivotant 18 qui porte le galet 5 (figs. 1, 3, 4, 5 et 6).
Les bras 18 pivotent autour des tourillons 19 parallèles à l'axe de rotation des galets 5, et sont placés diamétralement sur chaque paire de clapets (figs. 4, 5 et 6). Il s'ensuit que les axes des tourillons 19 sont parallèles aux génératrices de con- tact des galets. Le galet pivote et reste toujours parallèle à la surface conique du guidage 6.
Pour corriger les petites différences de glissement, les galets 5 ont leur surface extérieure légèrement convexe (figs.
1, 3, 4, 5 et 6).
Les ressorts à lame 16 sont destinés, outre qu'ils as- surent le contact continu des galets contre les guidages, à amortir
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les battements qui se produisent lorsque les clapets 4 chagent leur sens d'oscillation.
L'air comprimé contribue, lui aussi, à amortir ces bat- tements puisqu'il maintient toujours contre les guidages les paires de galets opposées à celles qui font changer le sens d'oscillation des clapets.
L'étanchéité à l'air est obtenue normalement dans ce type de compresseur par la grande surface des bords des clapets en contact avec les parois sphériques de l'enveloppe; l'huile de lubrification suffit à donner une bonne étanchéité contre les fuites d'air.
L'étanchéité entre les deux paires de clapets est ob- tenue par les grandes surfaces cylindriques de glissement des oeil- lets par lesquels ils sont fixés au tourillon (figs. 7, 8, 10 et 11).
Lorsque le compresseur fonctionne à une plus forte pres- sion il faut munir les clapets 4 de segments élastiques 20 encas- trés le long de leurs bords semi-circulaires et placés suivant le grand cercle de la sphère (figs. 7 et 8); ces segments sont main- tenus en tension par leurs extrémités encastrées dans des creux percés dans les parois des clapets, et en contact avec la surface cylindrique des têtes 12.
Les têtes 12 portent aussi une bague 21 placée à leurs extrémités, en contact avec les parois sphériques de l'enveloppe, et logée dans la tête même (figs. 7 et 8).
Cette bague, dont le diamètre est égal à celui de la tête, est sollicitée par la force centrifuge de presser contre les parois sphériques, pour obtenir l'étanchéité de l'air le long du bord circulaire de la tête.
Les têtes 12 sont fixées en position par les boulons d'entretoisement 22, qui règlent le jeu entre les têtes et l'en- veloppe (Fig. 2).
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Les deux coquilles 7 de l'enveloppe sont soutenues par les flancs 23 qui logent les paliers à rouleaux qui supportent l'arbre moteur 1 (Figs. 1 et 3).
Une plaque 24 sert de fondation commune aux deux flancs 23.
La fig. 3 représente le compresseur dans lequel on voit d'une part l'aspiration et de l'autre la compression. Après ce qui a été exposé ci-desssus, son fonctionnement est évident.
La surface de roulement des guidages 6 n'est pas exacte- ment conique car elle présente une ouverture à son sommet qui est peu variable.
Lorsque les génératrices de contact des galets 5 sont dans le plan du dessin, (avec le tourillon 3 d'oscillation normal au plan du dessin - fig. 1), l'angle /3 au sommet des surfaces de roulement des guidages est déterminé par la position desdites génératrices de contact relativement aux deux galets opposés de chaque clapet, qui font entre eux l'angle invariable Ó.
Dans la rotation de l'arbre 1, le plan formé par ces deux génératrices de contact sort du plan du dessin.
Si les clapets 4 avaient trois degrés de liberté, c'est-à- dire s'ils pouvaient avoir toute direction relativement au centre du système, suivant trois coordonnées orthogonales sortant de ce point, le contact entre les galets et le guidage serait toujours assuré, en conservant invarié au guidage de roulement l'angle /3 au sommet, comme dessiné à la fig. 1.
Les clapets n'ont que deux degrés de liberté, c'est-à-dire qu'ils peuvent avoir toute direction relativement à deux coordon- nées seulement, à savoir à l'axe de rotation de l'arbre 1 et à l'axe d'oscillation du tourillon 3, normal au premier.
Comme les plans de base b-b (fig 1) des deux guidages ne sont pas parallèles entre eux, ni non plus parallèles au plan
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de rotation de l'axe du tourillon 3, mais également convergents relativement à ce dernier, il en dérive que les guidages doivent changer leur angle ss au sommet de manière à conserver le contact continu avec les galets, et plus précisément leur présenter un angle /3 , qui puisse être, en toute position des clapets, entouré par leur angle au sommet invariable Ó (fig. 3).
Sur la fig. 1, le plan des deux génératrices de contact des galets contient la hauteur du cône; seulement dans cette posi- tion on a la moindre ouverture /3 des guidages, dont la valeur est déterminée par l'angle ( invariable que les prolongements des génératrices de contact des galets font entre eux-mêmes.
Seulement dans cette position, on a o( = /3 . Dans toutes les autres positions la hauteur de ce cône reste en dehors du plan des génératrices de contact, qui coupe la ligne de pro- jection du cercle de base (ligne b-b au-dessus ou au-dessous de la hauteur h (fig. 1).
Il est évident que toute coupe portée sur un cône sui- vant un plan passant par son sommet mais qui ne contienne pas sa hauteur h, détermine sur la surface conique deux génératrices qui ont un angle au sommet moindre que celui du cône.
Dans le fonctionnement de la machine, la différence en- tre ces deux ampleurs est très petite et reste toujours la même pour toute position qui ne soit pas celle dessinée sur la fig. 1 où est montrée la moindre ampleur de l'angle au sommet /3 .
Il en résulte que si les guidages de glissement 6 étaient bâtis exactement suivant la surface d'un cône ayant un angle ss= Ó, comme montré sur la fig. 1, les galets 5, pour rester en contact avec eux, devraient diminuer, dans ces différentes positions, l'amplitude Ó de leurs génératrices de contact jus- qu'à l'amplitude ss de moindre valeur.
Comme on l'a déjà répété, l'angle que les galets 5 font entre eux-mêmes est invariable à cause d'exigences de construction,
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ou très peu variable à cause des ressorts à lame 16 ; est dé- terminé par l'ouverture maximum du cône, et pourtant pour conser- ver le contact continu des galets, il est nécessaire que l'angle plus petit /3 au sommet augmente de cette différence.
Sur la fig. 3, qui illustre l'une de ces positions (plan des génératrices de contact des galets, qui contient l'axe de l'arbre 1 ; plan qui se projette en III-III, ligne inférieure à la hauteur h du cône - fig. 1); on voit l'augmentation à donner à l'angle ss au sommet jusqu'à atteindre l'amplitude de l'angle Ó invariable.
L'augmentation de section des guidages et par conséquent de l'angle /3 est visible sur la fig. 3.
Il en résulte que le cône idéal décrit dans les positions successives des prolongements des génératrices de contact,-est tel qu'à la fig. 6 où dans la coupe qui contient la hauteur h on a la moindre ouverture (position centrale) tandis que dans les autres positions cette ouverture est un peu plus grande.
Le cône de la surface de roulement des guidages présente deux espèces d'écrasements symétriques, c'est-à-dire qu'elle est tangente à ces deux points au cône d'amplitude invariable 0( au sommet.
Pour ce qui concerne l'équilibre des masses tournantes il est rappelé que les deux clapets de chaque paire sont égaux et ont le même poids ; pareillement les galets portés par les clapets sont égaux et placés dans des positions symétriques.
Lorsque deux clapets vis-à-vis sont complètement ou- verts, leurs centres de gravité se trouvent dans le sens vertical à une distance de l'axe de l'arbre 1 plus petite que celle qui sé- pare les centres de gravité des deux autres clapets qui sont pres- que fermés (fig. 1)
La force résultante des forces centrifuges des clapets ouverts est plus petiteque celle contraire qui se manifeste simul-
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tanément pour les clapets fermés. La différence est maximum dans la position de la fig. 1, et zéro dans la position de la fig. 3.
Elle est de très petite importance et se manifeste toujours dans la seule direction de bas en haut, suivant la disposition de la ma- chine qui fait rapprocher les clapets dans sa position d'en haut.
Les forces d'inertie dues au mouvement alternatif des clapets au- tour du tourillon 3 s'équilibrent à chaque instant sur les gui- dages de roulement 6 et sur le tourillon 3, puisqu'elles sont égales et contraires.
Les deux paires de clapets 4, glissant le long des gui- dages 6, présentent à chaque demi-tour deux clapets vis-à-vis qui passent du maximum au minimum d'éloignement.
Dans la première partie de ce parcours (un quart de tour) ces deux clapets vis-à-vis se rapprochent avec un mouvement unifor- mément accéléré et ensuite uniformément retardé (au quart de tour suivant).
Dans la première partie, on doit débiter une certaine puissance pour causer cette accélération, puisque l'inertie de la masse des clapets réagit contre les guidages de roulement conver- gents en causant une augmentation du moment résistant ; tandis que, au quart de tour suivant, cette inertie acquise fait se rapprocher des guidages de roulement divergents, les deux clapets opposés, provoquant sur eux un moment qui concorde avec le moment moteur.
La puissance débitée pour vaincre l'inertie des cla- pets au premier quart de tour est ainsi récupérée.
Le refroidissement du compresseur, utile pour les com- pressions qui dépassent les 3-4 atm. absolues, est obtenu par ir- radiation sur la surface extérieure des coquilles 7; dans la par- tie du haut qui sert à la compression,.il y a des ailettes 25 ve- nues de fonderie avec les coquilles (fig. 2).
Des ouvertures 26 (fig. 1) percées dans les flancs 23 permettent lacirculation de l'air au-dedans du compresseur, qui
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est continuellement augnentée par le mouvement même des clapets.
La lubrification dans ce type de machine a lieu par gravité et par force centrifuge.
L'huile, contenue dans le réservoir 27, entre par gravi- té dans la conduite 28 percée le long de l'axe de l'arbre 1.
A travers les petits trous 29 radiaux, qui se trouvent être alternativement découverts par les clapets, l'huile, par force centrifuge, est projetée contre les galets 5 et les parois sphéri- ques des coquilles 7, toutes parties assujetties à un glissement continuel.
Par les autres petits trous radiaux 30 l'huile lubrifie les paliers à rouleaux de support et à travers les conduites 31 (fig. 1) descend vers le bas pour lubrifier, en passant par les petits trous 32, les parois des guidages 6 en contact avec les galets 5.
Les oeillets de pivotement des clapets 4 au tourillon 3 sont lubrifiés par le système de petites conduites 33 (fig. 2) au- dedans du tourillon 3.
La circulation se fait dans ce cas par force centrifuge.
Dans ce type de lubrification les ouïes d'entrée et de sortie des petites conduites doivent être calibrées pour ne pas provoquer un trop rapide vidage de l'huile dans le réservoir 27.
Pour s'opposer à l'action de la force centrifuge qui agit sur les galets 5 et sur leurs bras 18, à cause de la rotation des clapets 4 auxquels ils sont fixés par le boulon 19, on place entre la paroi du bras 18 et la paroi de la cuvette 17 (figs. 4, 5 et 6) une petite plaque 34, remblayée sur le clapet 4, dont la surface sert aussi pour les très petits mouvements du bras 18 et galet 5 correspondant qui sont ainsi soulagés de la force centri- fuge. La compression dans ce type de machine peut varier dans de très larges limites, puisque, à la différence des autres pompes rotatives, elle peut être pourvue d'organes de retenue de l'air.
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Son débit est grand parce qu'il s'accroît avec le cube du rayon de la sphère, et qu'il y a deux débits à chaque tour; le nombre de tours peut être très élevé.
Les espaces nuisibles sont réduits au minimum, et l'équi- libre continuel des forces assure à ce compresseur un rendement très élevé,tant volumétrique que mécanique.