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PERFECTIONNEMENTS AUX POMPES ET MOTEURS ROTATIFS
La présente invention a trait aux pompes et moteurs rotatifs.
Une pompe ou moteur rotatif, conforme à ladite invention, com- prend un rotor, pouvant tourner à l'intérieur d'un stator qui l'entoure, et une série de butées pouvant coulisser radialement dans des évidements équi- distants constitués dans le rotor de manière à permettre une série de dépla- cements, celles des extrémités des butées qui touchent le stator étant pro- filées de telle sorte que chacune des butées soit en contact avec le stator par une ligne fixe qui ne varie pas par rapport au reste de la butée au cours de la rotation du rotor, la périphérie intérieure du stator étant formée par deux arcs égaux d'un rayon majeur, diamétralement opposés-,
par deux arcs é- gaux d'un rayon mineur dont les cordes font un angle de 90 avec celles des arcs de rayon majeur et par quatre courbes égales de jonction qui relient entre eux les arcs majeur et mineur adjacents, chacune des courbes de jonc- tion étant formée de manière à communiquer ou permettre un mouvement d'accé- lération radial de taux prédéterminé à une butée qui est en contact avec elle, pendant la première moitié du mouvement qu'effectue cette butée d'un des arcs à l'arc adjacent, et de manière à communiquer ou à permettre à la butée, pen- dant la seconde moitié de ce mouvement, un mouvement de ralentissement ra- dial, dont le taux est l'inverse du précédent,
et le développement angulaire de chacune des courbes de jonction ayant une relation prédéterminée àvec la distance angulaire qui sépare les butées consécutives, de telle sorte que le déplacement de fluide total instantané de la série de butées soit pratique- ment constant.
Dans le cas d'un nombre pair de butées, le développement angu- laire de chaque courbe de jonction est le double de la distance angulaire qui sépare deux butées adjacentes; dans le cas d'un nombre impair des butées, le développement angulaire de..chacune des courbes de jonction est égale à la distance angulaire qui sépare deux butées adjacentes. Dans tous les cas, la
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distance angulaire séparant les butées adjacentes doit être plus petite que le développement angulaire de chacune des portions de l'alésage du stator qui sont constituées par un arc de rayon majeur.
Une pompe ou un moteur, canforme à l'invention', peut être construit de telle manière que chacune des butées se comporte à la fois à la façon d'une ailette et à la façon d'un piston,de manière qu'on obtienne une série de déplacements combinés d'ailettes et de pistons. A titre d'al- ternative, on peut construire la pompe ou le moteur de manière que chacune des butées se comporte seulement à la :façon d'un piston.
Quelques formes de réalisation de l'invention ont été repré- sentées, à titre d'exemples, sur les dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est une coupe longitudinale d'une pompe à débit fixe par la ligne 1-1 de la figure 3 , la figure 2 est une coupe transversale par la ligne II-II de la figure 1, la figure 3 est une coupe transversale par la ligne III-III de la figure 1, la figure 4 est une vue en bout représentant le profil de l'a- lésage du stator, la figure 5 est une coupe transversale d'une construction de pompe dans laquelle des moyens sont prévus pour assurer un contact continu entre les butées et l'alésage du stator, la figure 6 est une coupe transversale d'une autre construc- tion de pompe, dans laquelle le rotor est sensiblement plus petit que le dia- mètre minimum de l'alésage du stator, la figure 7 représente,
à plus grande échelle, une des butées dont il est fait usage dans la pompe de la figure 6, la figure 8 est -une coupe longitudinale d'une pompe à débit variable par la ligne VIII-VIII de la figure 9, la figure 9 est une coupe transversale par la ligne IL-IL de la figure 8, la figure 10 est une coupe transversale par la ligne X-X de la figure 8, la figure 11 représente, par une coupe longitudinale par la ligne XI-XI de la figure 13, une pompe à débit fixe dont le déplacement est assuré par des butées travaillant seulement comme des pistons, la figure 12 est une coupe transversale par la ligne XII-XII de la figure 11, la figure 13 est une coupe transversale par la ligne XIII-XIII de la figure 11, la figure 14 est une coupe transversale d'une pompe à débit fixe comportant un nombre impair (neuf) de butées,
la figure 15 est un diagramme représentant la série de dépla- cements qui s'effectue dans une pompe comportant un nombre pair (seize) de butées se comportant à la fois à la façon d'ailettes et de pistons. et la figure 16 est un diagramme semblable à la figure 15 re- présentant la série de déplacements obtenue dans une pompe comportant un nombre impair (neuf) de butées qui se comportent à la fois à la façon d'ai- lettes et de pistons.
On se référera d'abord aux figures 1 à 4, dans lesquelles 1 désigne un arbre qui est supporté par les pièces extrêmes 2 et 3 d'une en- veloppe et sur lequel est claveté un rotor 4 entouré par un stator 5. Le @@ rotor est circulaire et présente, réparties sur toute l'étendue de sa pé-
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riphérie extérieure, un nombre pair (seize) de fentes radiales équidistan- tes, dans chacune desquelles peut coulisser librement une butée 6. Ces butées
6 sont maintenues en contact avec l'alésage du stator 5 sous l'action de la force centrifuge lorsque tourne le rotor 4.
Chacune d'elles reçoit, à son extrémité coopérant avec l'alésage du stator (figure 2 et 3), un profil'tel qu'un contact linéaire est maintenu entre la butée et l'alésage du stator à l'extrémité arrière de la butée, eu égard au sens de rotation. Chaque butée présente, sur sa face avant (eu égard au sens de rotation du rotor), une rainure 6A qui fait communiquer l'espace existant au fond de la fente dans laquelle coulisse la butée envisagée avec l'espace existant à la périphérie du rotor, entre cette butée et celle qui la précède directement.
Les éléments extrêmes 2 et 3 (figure 1) sont pourvus de pla- ques de revêtement annulaires 7 et 8, de préférence faites d'une matière anti-friction, qui ferment axialement les espaces partiellement annulaires constituée entre la périphérie du rotor et l'alésage du stator, ainsi que les espaces des fentes radiales dans lesquelles coulissent les butées 6.
Les éléments d'extrémité de l'enveloppe sont goujonnés en 2C et 3C sur le stator 5, de part et d'autre du stator, et les trois pièces sont assemblées rigidement par des boulons 9. Le stator 5 est disposé centralement par rap- port au rotor 4 et à son arbre 1, mais sa largeur axiale excède suffisamment celle du rotor pour assurer un jeu de travail.
L'alésage du stator possède le profil suivant : Dans deux por- tions diamétralement opposées 5A (figure 4), dont chacune est sous-tendue par un angle de 45 , l'alésage présente des arcs de cercle dont le rayon est légèrement supérieur à celui du rotor; dans deux autres portions diamé- tralement opposées 5B, dont chacune est aussi sous-tendue par un angle de
45 , l'alésage présente des arcs de cercle dont le'rayon excède celui des arcs susmentionnés d'une quantité qui est déterminée à l'avance par la ca- pacité de travail que doit posséder la pompe, les cordes de cette seconde paire d'arcs faisant un angle de 90 avec celles de la première paire ; lesdeux paires d'arcs 5A, 5A et 5B, 5B sont concentriques au rotor;
les quatre portions restantes 5C, qui relient entre eux les arcs adjacents, sont formées chacune de fagon que, pour passer d'un arc de cercle d'un des rayons à un arc de cercle adjacent de l'autre rayon, chacune des butées coulissantes 6 doit se mouvoir dans sa fente radiale, d'abord à un taux d'accélération constant, jusqu'à ce qu'elle soit arrivée au milieu de la distance séparant les deux arcs, puis à un taux de ralentissement constant, jusqu'à ce qu'elle ait atteint ledit arc de cercle adjacent. Il y a lieu de noter que le déve- loppement angulaire de chacune des portions 5C est double de la distance an- gulaire qui sépare deux butées adjacentes, étant donné qu'il est prévu un nombre pair de butées.
Dans le présent exemple, dans lequel il existe seize butées, le développement angulaire de ladite portion C est de 45 , et la distance angulaire séparant deux butées adjacentes est évidemment de 22, 5 degrés.
Un raccord d'admission 2A, disposé dans l'élément d'extrémité 2 (figure 1) de l'enveloppe, communique avec une chambre d'admission annu- laire 2B, fermée par la plaque de revêtement 7. La plaque 7 présente deux lumières d'admission 7A (figure 2) qui sont diamétralement opposées et qui coïncident approximativement avec celles des portions 5C du stator qui relient un arc mineur à un arc majeur adjacent dans le sens de rotation. Ces lumières d'admission 7A font communiquer la chambre d'admission 2B avec les chambres en cours d'expansion constituées entre le rotor 4 et 1'alésage du stator 5 et, par l'intermédiaire des rainures 6A, avec le fond des fentes radiales dans lesquelles coulissent les butées 6.
Dans l'élément d'enveloppe extrême 3 est foré un trou borgne 3A qui s'étend diamétralement de manière à intersecter l'axe de la pompe et qui est taraudé à son extrémité ouverte de manière à constituer un raccord d'échappement. Le trou 3A communique, par des trous 3B, parallèles à l'axe, avec des lumières 8A, pratiquées dans la plaque de revetement 8. Les lumiè- res 8A coïncident avec celles des portions de l'alésage 5C du stator qui
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relient un arc majeur à un arc mineur dans le sens de la rotation et, par suite, font communiquer les chambres en cours de contraction avec la tuyau- terie d'échappement de la pompe.
Le fonctionnement de la pompe décrite ci-dessus sera évident pour l'homme du métier, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de le décrire en détail. II suffira d'observer que ce qu'on peut appeler "déplacement com- mandé par ailette" a lieu au momentoù les butées 6 balaient les chambres ar- quées constituées entre celles des portions de l'alésage du stator 5'qui sont formées par les arcs 5B de rayon majeur 8 et la périphérie du rotor 4; - le "placement commandé par piston!! s'effectue à partir du fond des fentes du rotor 4 dans lesquelles coulissent les butées lorsque ces dernières se- meuvent radialement vers l'intérieur en balayant une courbe de jonction 5C s'étendant d'un arc 5B de rayon majeur à un arc adjacent 'de rayon mineur 5A de l'alésage'du stator ;
un courant d'admission s'établit à la fois vers les chambres à commande par ailette et les chambres à commande par piston'au moment où les butées 6 se meuvent le long d'une courbe de jonction 5C allant d'un arc 5A de rayon mineur à un arc adjacent 5B de rayon majeur de l'alésa- ge du stator ; chambre à commande par piston qui est constituée au fond de chaque butée communique librement avec la chambre à commande par ailette qui se trouve à l'avant de la même butée par la rainure 6A. '
Dans la disposition représentée en coupe transversale par la figure 5, le rotor 4 est pourvu, intérieurement, d'une chambre annulaire fer- mée 4A.
Cette chambre communique par des trous radiaux avec le fond des fen- tes de guidage des butées 6 et dans ces trous coulissent librement des pous- soirs 17 qui sont en contact, par leur extrémité extérieure, avec les butées respectives 6. Le profil de l'alésage du stator 5 est le même que celui pré- cédemment 'décrit (voir figure 4). Si la chambre 4A a été remplie d'un. agent approprié, un contact continu sera maintenu entre toutes les butées 6 et l'a- lésage du stator.
Dans la disposition représentée par la coupe transversale de la figure 6, le diamètre du rotor 4 est sensiblement inférieur au diamètre mineur de l'alésage du stator 5. Pour établir un joint étanche continu entre les chambres d'échappement et d'admission, il est essentiel que les butées 6 soient maintenues en contact avec celles des portions de l'alésage du sta- tor qui sont formées par les arcs de rayon mineur. Pour assurer la continuité du contact dans ces portions, une lèvre 6B (voir aussi figure 7) est formée à l'extrémité extérieure et au bord arrière des butées, eu égard au sens de rotation. Lorsqu'une butée balaie un arc de rayon mineur, la présence de la lèvre a pour effet que la pression hydraulique développe une réaction qui s'exerce vers l'extérieur sur la butée et qui tend à la maintenir en contact avec le stator.
On se référera maintenant aux figures 8, 9 et 10, dans lesquel- les l'arbre 1 est supporté par l'extrémité d'enveloppe 2 et porte, claveté sur son extrémité intérieure de façon à pouvoir coulisser sur lui dans la direction axiale, un organe coulissant 18 auquel sont fixés rigidement le rotor 4 et un organe 7A servant à retenir les butées. Les deux pièces 4 et 7A sont bloquées sur 'l'organe coulissant 18 par un écrou 19. Le rotor 4 pré- sente, à sa périphérie circulaire extérieure, seize fentes radiales équidi- stantes.
Les butées 6, composées chacune d'une pile de lamelles, peuvent cou- lisser librement dans lesdites fentes et coopérer, à leur extrémité extérieu- re, avec l'alésage du stator enveloppant 5, dont le profil est le même que celui précédemment décrit (voir figure 4). Les lamelles des butées reçoivent un profil tel que chacune des butées n'est en contact avec l'alésage du sta- tor qu'à son bord arrière, eu égard au sens de rotation. Le stator 5 est as- sujetti rigidement à la section d'extrémité 2 et est disposé centralement' par rapport à l'arbre 1 et au rotor 4. Cette section 2 présente, près du sta- tor, un évidement 2D dont le diamètre est égal au diamètre extérieur du ro- tor 4 et de l'organe de retenue 7A, si l'on ne tient pas compte du jeu de travail nécessaire.
Sur un décrochement 18A de l'organe coulissant 18 est monté, sur le côté du rotor opposé à 7A, un anneau de' retenue 10. L'anneau
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10 tourne librement mais n'est pas déplaçable axialement par rapport à l'organe coulissant 18, cet anneau constituant le second organe de retenue des butées lamellaires 6. Son profil extérieur est identique à celui de l'a- lésage du stator, à l'intérieur duquel il coulisse à frottement doux. L'ex- trémité arrière de l'organe coulissant 18 est évidée de manière à constituer un logement pour un roulement à billes 18B qui est fixé suivant son axe par une plaque de serrage 11. Dans l'alésage du chemin intérieur du roulement à billes 18B est fixé rigidement un écrou de réglage 14, qui coopère avec une vis de commande 12.
La vis 12 est supportée de façon rotative à l'inté- rieur de l'élément d'extrémité 3, dans laquelle sa position axiale est dé- terminée par le moyeu 13A d'un volant de manoeuvre 13 et par un épaulement 12A de la vis 12. L'élément d'admission extrême 3 est disposé centralement par rapport au stator 5 et les deux éléments d'extrémité 2 et 3 sont fixés rigidement au stator par des boulons 16 (figures 9 et 10).
En faisant tourner le volant de manoeuvre 13, fixé à la vis de commande 12, on peut faire mouvoir dans la direction axiale, à volonté dans un sens ou dans l'autre, l'ensemble de l'organe coulissant 18 (figure 8) du rotor 4, de l'organe de retenue 7A et de l'anneau de retenue 10. La largeur effective des chambres de pompage est limitée par l'anneau de rete- nue 10, d'un côté, et par la face intérieure de l'élément extrême 2, de l'autre côté; il s'ensuit qu'on peut modifier cette largeur à volonté par la rotation du volant de commande 13.
Lorsque le rotor 4 est déplacé axia- lement de façon que tout ou partie dudit rotor se trouve à l'intérieur de l'évidement 2D de l'élément extrême 2 de l'enveloppe, celles des lamelles des butées qui sont situées à l'intérieur de l'évidement sont mises hors d'action, en ce qui concerne le pompage; il s'ensuit que la largeur effecti- ve des butées 6 correspond toujours à la largeur effective des chambres de pompage.
Une série de trous 2E, qui coïncident avec les chambres de pompage à contraction, sont forés à partir de la face intérieure de l'élé- ment d'extrémité 2 de façon qu'ils communiquent avec une rainure annulaire 2F, pratiquée autour du périmètre dudit élément. Une pièce 15, entourant l'élément 2, porte un raccord taraudé 15A qui communique avec la rainure 2F et constitue l'orifice d'échappement de la ompe. L'anneau de retenue 10 présente, à sa périphérie extérieure, deux rainures axiales 10A (voir figure 10) qui coïncident avec les chambres de pompage à expansion. Les rainures 10A sont reliées à l'alésage 3C.de l'élément d'enveloppe extrême 3, qui possède aussi un raccord taraudé radial 3D débouchant dans la cavi- té3C et constituant le raccord d'admission de la pompe.
Les figures 11,12 et 13 représentent une pompe à débit cons- tant qui est semblable à celle décrite au sujet des figures 1 à 4 et dont elle ne diffère qu'en ce qu'elle a été établie pour un déplacement à comman- de par piston seulement. Les rainures 6A des butées (figures 1 à 4) ont été supprimées et des lumières d'admission 7C et d'échappement 8C sont reliées aux chambres de pompage, à l'extrémité intérieure des butées. D'autres lu- mières 8B, qui coïncident avec celles des portions de l'alésage du stator qui relie les arcs de rayon majeur aux arcs de rayon mineur dans le sens de la rotation, relient les chambres en cours de contraction situées à l'exté- rieur des butées avec la tuyauterie de refoulement.
Ces lumières assurent pratiquement un équilibre de la pression régnant sur les côtés intérieur et extérieur des butées pendant les périodes de pompage sous pression.
La pompe à débit constant,de la figure 14 est semblable à cel- le de la figure 1, dont elle ne diffère que par le fait qu'elle comporte un nombre impair (neuf) de butées 6. La figure 15 est un diagramme d'écoulement se rapportant à la pompe des figures 1 à 4, qui possède seize butées; la fi- gure 16 est un diagramme semblable se rapportant à la pompe de la figure 14, qui comporte neuf butées. Dans chacune de ces deux figures, les absoisses représentent le mouvement angulaire du rotor en degrés, et les ordonnées re- présentent le débit (volume par tour). Les lignes droites horizontales R, V, T sont respectivement le débit à commande par piston, le débit à commande par ailette et le débit total.
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Les pompes décrites ci-dessus possèdent, entre autres, les avantages suivants : a) Un débit uniforme et un équilibre hydraulique qùi ne sont pas détruits par le mode d'action des butées en tant que pistons, ce mode d'action ayant pour effet soit de seconder, soit de créer le refoulement.. - b) Les forces dues à l'action hydraulique et tendant à pousser les butées vers et contre le stator sont en tout temps réduites' au minimum en raison du fait que la pression hydraulique et les surfaces des butées' sur lesquelles cette pression s'exerce sont pratiquement égales aux deux extré- mités des butées;
pour cette raison, on obtient un rendement mécanique éle- vé et on évite une usure excessive, même sous des' pressions de pompage très élevées. c) Les conditions ci-dessus, en combinaison avec la construc- tion générale, assurent le maximum de résistance aux fuites intérieures;
- on peut ainsi établir conformément à l'invention une pompe à un seul 'étage donnant d'excellents rendements volumétrique et mécanique sous des pressions élevées atteignant 280 ou 350 kg/cm2, jusqu'à ce jour, les pompes à ailettes à un seul étage ne convenaient pas pour les pressions supérieures à 70 kg/ cm2. d) Dans le cas de la pompe à débit variable, le débit peut être modifié sans que ceci nuise à l'uniformité de l'écoulement, à l'équili- bre hydraulique ou au rapport de compression.