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"Perfectionnements aux compresseurs à rotors en- grenants"
La présente invention est relative aux com- presseurs à rotors hélicoïdaux egrenants. Les compresseurs de ce type comprennent en général un corps ou barillet dans lequel est ménagé un espace de travail longitudinal consti- tué par deux alésages cylindriques sécants à axes parallèles.
Cet espace communique à une extrémité avec un orifice d'ad- mission du fluide basse pression, dont la section est dispo- sée principalement d'un premier cote du plan défini par les axes des alésages, et communique d'autre part avec un orifice de refoulement haute pression, dont la section est disposée principalement de l'autre coté dudit plan* Dans les alésages ' tournent des rotors dont chacun comporte au moins trois ner- vures et trois rainures hélicoïdales dont l'angle total d'en-
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roulement est inférieur à 360 .
L'un de ces rotors, dit le ro- tor mâle, a des nervures à flancs convexes dont la section est disposée principalemetn à l'extérieur du cercle primitif dudit rotor; l'autre, dit rotor femelle a des nervures à flancs oon- caves dont la station est disposée principalement à l'intérieur du cercle primitif dudit rotor femelle, Les votera mâle et fe- melle engrènent par leurs nervures et rainures pour former, aveu les régions du corps qui sont en regard, des chambres de compression en forme de chevrons,constituées chacune par une partie de rainure de rotor mâle et une partie de rainure de rotor femelle.
Les chambres de compression sont délimitées à l'une de leurs extrémités, dite fond ou base de la chambre, par un plan transversal fixe au droit de l'orifice haute pres- sion, et à leur autre extrémité,' dite sommet de la chambre par les nervures engrenantes des' doux rotors. Quand les rotors tournent, les sommets des chambras se déplacent axialement vere dit plan fixe de base, de- sorte que le volume des chambres décroît, et que les chambres viennent l'une après l'autre communiquer avec l'orifice haute pression pour voir leur volume se réduire à zéro au[droit dudit plan fixe.
Les compresseurs *de ce type fonctionnent ac- tuellement, d'une manière générale, à l'état sec, c'est-à-dire sans présence de liquide dans l'espace de travail. L'étan- chement des chambres de compression est assuré uniquement .par les joints ou "garnitures d'espace" constitués par le jeu réduit existant entre éléments en rotation relative, Ces compresseurs "secs" tournent à des vitesses élevées, corre-s pondant à des vitesses linéaires à la périphérie du rotor . mâle, ouvant aller jusque 125 m/s environ. Pour un compres- sour dont le rotor a un diamètre de 200 mm, cette valeur
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correspond à une vitesse angulaire d'environ 12000 tam,'.
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L'entraînement de ces compresseurs est en général assuré
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par un moteur Diesel ou autre moteur à combustion ou expier $ton, ou encore par moteur électrique à vitesse normale/ Ces diverses sources de force motrice, dont la vitesse angu- laire est en général comprise entre 1500,et 2000 t/=, ."'t. exigent donc l'emploi d'un engrenage multiplicateur* ; >,.
D'autre part;, dans ces compresseur* seea /;! .#,* rapport do compression lè pi un $rand qu'en pum$ antoi en pratique en un seul étage, avec un re.demen as$et t" tisfaisant, est de l'ordre de 4 même ave:c refroidissement extérieur du corps, la limite supérieure, satisfaisante -b , étant d'ailleurs en général considérée comme étant plus voisine de 3 que de 4e Les causes de cette limitation sont, dues d'une part aux pertes élevées par fuites a travers bzz la "garniture "dl espace" utilisée,, d'autre part aux hautes températures créées par la compression et donnant lieu à
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des dilatations différentes dans les diverses parties du', compresseur.
Si l'on veut obtenir des pressions élevées,;!
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par, exemple fxmr. l'ai intentât ion en air compriod d'un fcte- liey ou. encore d'outils pneumatiques portatifs à environ, 7 kg/ern2 relatifs, ce qui représente un taux de compris ;,#' ,,' sion d'environ 8, on a donc toujours recours à la ampres sion en deux Stases (Avec refroidissement lnt ormddîalreo La, pédsente invention se propose en* premier ' ;
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lied de permettre au moyen d'un compresseur du type gercé--'
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rail considéré, de comprimer de l'air ou un autre gaz-ave un bon rendement en un seul étage, et. a un taux de oOm" pression plus élevé que ceux qu'on pouvait obtenir 2k ce' jour d'abaisser d'autre part les vitesses n6oeb-dâ*és',,.
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de manière h permettre l'entraînement direct du compres- seur par un moteur à combustion interne usuel, ou un mo- teur électrique de vitesse usuelle* de permettre la suppres- sion des engrenaces de synchronisation et, plus générale- ment, de perfectionner les compresseurs actuels du type envisagé.
Conformément \ l'invention, en injecte dans le compresseur un liquide destiné à un double but :d'una part fournir un joint hydraulique étanchant les jeux, d'au.. tre part assurer un refroidissement direct du fluide en cours de compresseur, à >un degré assez poussé poyr permettre . d'obtenir en un seul étage de compression les pressions d'air comprima usuelle*? employées dans les ateliers,avec un bon rendement, et à des vitesses rotoriques sensiblement inférieures! à celles nécessaires à ce jour.
Selon une par.. ticularité inventive importante, l'injection de liquide est effectuée de fagon quantitative, avec une certaine rc- lation bien déterminée, précisée plus loin, entre la/débit et la vitesse du compresseur, relation qui assure un ren- demont pratique optimal pour un ensemble de conditions données.
On va maintenant décrire un exemple de réali- sation de l'invention, nullement limitatif,représenté au dessin annexé sur lequel '
Fig. 1 est une coupe longitudinale en partie suivant la ligne 1-1 de la fig. 2, et en partie suivant la-la, fig. 2;
Fig. 2 est une coupe par 2-2, fig. 1;
Fig.3 est une famille de courbes mdntrant les variations du rendement en fonction de la vitesse l'iné- aire pour différents débits d'injection du liquide;
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Fig.4 est une famille de courbes montrant les ' variations en fonction de la vitesse linéaire du rapport du débit-masse du liquide injecte au débit-masse du fluide comprimé, d'une part pour l'obtention du rendement optimal, d'autre part pour une place acceptable de ce rendements
Le compresseur représenté aux fige 1 et 2 com- prend un rotor mâle 10 et un rotor femelle 12 engrenant entre eux par leurs nervures et rainures hélicoïdales.
Dans le rester mâle 10, la section droitedes nervure* est ' située pour sa plus grande partie en-dehors du cercle pri- mitif, et leurs flancs sont convexes* Dans le rotor femelle 12, la section droite des nervures est située pour sa plus, grande partie à l'intérieur du cercle primitif et leurs flancs sont concaves. L'angle sur lequel chaque nervure enveloppe le rotor correspondant est inférieur à 360 .
Les rotors 10, 12 sont disposés dans un corps comportant une partie en forme de barillet 14 à parois ter- minales ou joues 16, 18, délimitantun espace de travail 20 constitué sensiblement par deux alésages cylindriques sé- cants à axes parallèles. L'espace de travail comporte un orifice basse pression.22 et un orifice haute pression 24, les sections de ces deux orifices.étant situées pour leur plus grande partie de part et d'autre du plan des axes des alésages. Le rotor mâle 10 est muni d'un axe 26 qui sort . travers la joue 16 et est destiné à être accouplé à un moteur d'entraînement non représenté.
Ce rotor mâle est soutenu dans la joue 16 par deux paliers à billes obliques 28 contigus, et dans la joue 18 par un palier à galets 30.
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Le compresseur présente un compartiment 32 ' dans lequel on délivre un liquide sous pression provenant d'une source non représentée, au moyen d'une conduite 34 munie d'uno valve 36 de réglage du débit. Du compartiment 32 le liquide est injecté dans l'espace de travail 20 par une série de buses ou orifices 38 réparties suivant la ligne d'intersection 40 des deux alésages, ligne qui se trouve du même côté par rapport au plan défini par les axes rotoriques que celui où se trouve l'orifice haute pression 24.
Non loin de .l'autre ligne d'intersection des alésages, celle située dû même coté par rapport au plan précité que celui où se trouve 1'orifice basse pression, est disposée une plaque d'éf lectrice 42 qui s'étend le long de ladite ligne et sert 4 guider le liquide s'écou- lant entra les deux rotors suivant des veines ou nappes périphériques vers les parois do l'espace de travail do manière à limiter le degré de mélange se produisant entre le liquide et le fluide élastique comprimé.
Le fonctionnement de cotte machine en vue d'assurer la compression est bien connu. Les rotors étant entraînés dans le sens des flèches (fig. 2), les rainures dos deux rotors se remplissent à l'instant où leur extré- mité d'admission franchit.l'orifice 22; cette phase d'ad- mission du cycle s'achève à l'instant où les rainures dépassent la position où elles sont en communication aveo ledit orifice.
L'air entraîné s'écoute vers l'aval le long des rainures jusqu'à l'instant où une nervure de l'un dss rotors commence à s'insérer dans une rainure';coopérante de l'autre rotor h la ligne d'intersection 40 entre les deux alésages du c8té inférieur ou haute pression, pour
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amorcer ainsi la phase compression du cycle par la fonmaticrt de chambres de compression en forme de chevrons composées dqdeux parties de rainures rotoriçues, délimitées à une
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extrémité par la joue haute pression du corps et à l1 autre par le point d ' engrènement des rotors.
Ce dernier point se propage vers la joue haute pression mesure Que la rotla- tion des deux rotors oc poursuit, de sorte que ta 1 et le volume de la chambre de compression dëcïpls3<snt'!gr'o"- gressivement, ce volume finissant par être réduit & ér&j le contenu de la chambre'est alors refoule par .l' orifice "# haute pression 24 au cours do la phase finale u cyoioTott phase de refoulement; cotte dernière phase peut d"alllêurs. être considérée comme un prolongement de la phase co prs* sion.
Ainsi qu'on le comprendra alt-.,6ment? le taux de compression obtenu, caractéristique de construction de la machine, est fonction principalement des dimensions et
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de la forme de l'orifice de sortie, qui tïetermlinent le y-olu- me de la chambre de compression à l'instant oh oelle-ci vient en regard de cet orifice. On conçoit également que ce taux peut être modifié au moyen de valve* appropriées , mais les artifices connus de ce genre importent peu pour la présente invention. Il suffit d'indiquer que, ainsi que l'a prouva l'expérience, la présente Invention permet
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d'obtenir facilojneht, avec un soûl étage de compression, un taux de oompr,
J$S 1cn ayant la valeur avantageuse -et' en.. viron 8, noessaf.re pour l'alimentation Ces ateliers en.. air comprimé*
Dans les compresseurs secs du type général envisagé, le bon rendement dépend principalement de-
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l'étroiitesse des jeux qu'on peut réalisers pratiquement: et, surtout, qu'on peut entretenir, dans les conditions parfois très dures dans lesquelles les compresseurs de ce genre, surtout les compresseurs portatifs, sont appelés à travailler. Ces jeux se sont révélés comme un facteur très sensible dans le fonctionnement des compresseurs secs.
En se basant sur l'expérience dont on dispose dans le douzaine des pompes à engrenages pour liquides, le* com- presseurs rotatifs à palettes coulissantes à joint liquide, - et autres machines de manutention des fluides par dépla- cement positif, il semblerait logique de supposer que la plupart des difficultés rencontrées dans le domaine des compresseurs secs du type en question pourraient être réduites ou levées par le simple artifice qui consisterait à injecter en quantité suffisante un liquidé tel qu'une huile fluide ou même de l'eau, pour constituer un joint étanchant les jeux qui forment la "garniture d'espace" des chambres du compresseur sec.
En effet, une telle in- jection devrait avoir pour résultat non seulement d'amé- liorer les joints et empêcher les fuites des chambres de compression, mais aussi de permettre d'augmenter notable- ment les jeux en question 'tout en conservant l'étanchéité voulue, en raison de la nature liquide et non gazeuse du fluide d'étanchement,
Or l'oxpérimantation a démontré que ces conclusions d'apparence logique sont néanmoins tout-à-fait erronées.
Les premières expériences réalisées ont montré que l'in- jection do liquide était accompagnée d'une baisse notable du rendement par rapport à sa valeur à soc, se traduisant par une augmentation de la consommation d'énergie pour un débit. donné d'air comprime.
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L'analysé de ces expériences initiales a montré quo l'injection de liquide nécessitait une révision com- plète de la conception mente du fonctionnement du compres- seur. En effet, étant donné la densité et la viscosité beaucoup nlus fortoa des liquides (aussi fluides et ténors .
soient-ils) par rapport aux gaz, les pertes dues au bras- sage du liquide injecté dans les chambres de compression on présence de rotors engrenant étroitement entre eux et tournant 4 grande vitesse, étaient tellement plus lmpor- tantes que les portes dues à la turbulence du gaz dans les chambres sèches à "garniture d'espace", que la -perte nette résultante dépassait de loin l'amélioration éventuelle qui serait duo à une meilleure étanchéité par remplissage dos . jeux au moyen du liquide.
En présence de ces conclusions initiales, il aurait sembla logique d'admettre qu'en augmentant le débit de' liquide injecté on ne ferait qu'aggraver les pertes.
On a constaté au contraire que c'est la conclusion inversa qui est vraie, à condition que le débit du liquid@ ist @té présente par rapport à la vitesse des rotor,- et au dit@. de gaz comprimé une certaine relation qu'on va préciser.
En effet, la Demanderesse a constaté, en pre- mier lieu, pour que les performances du compresseur à in- jection de liquide soient comparables,, et à plus forte raison supérieures, à celles du compresseur sec, il fallait d'une part que l'injection de liquide se fasse sous un débit dépassant de beaucoup la valeur nécessaire et suffi- sante pour fournir le joint hydraulique, et qu'il fallait en morne temps faire fonctionner les compresseurs sur vine Plage do régimes, en co qui concerne la vitesse:
périphérique
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des rotors, entièrement différente da celle employée pour les compresscurs sucs, Elle a constata en outre oue pour réaliser l'amélioration désirée il fallait qu'il existe entre los facteurs précités une relation nettement définie.
Etant donné les conditions très variables, en ce qui concerne notamment d'une part los capacités, taux de compression, pressions absolues et relatives, qui' peu- vent se présenter dans les compresseurs du genre envisagé, et d'autre part les densités, chaleurs spécifiques, visco- sités et autres caractéristiques dos gaz avec lesquels ces compresseurs peuvent,être employés;. il est impossible dans oc Mémoire de présenter une discussion complète de toutes les combinaisons possibles entre les facteurs préci- tés susceptibles de s'appliquer à un compresseur déterminé réalise conformément 4 l'invention.
On se bornera dans ce qui suit à donner un..) discussion sommaire des conditions applicables notamment au,domaine dus compresseurs d'air portatifs, domaine particulièrement important dans la tech- nique et qui suffira pour illustrer les principes do l'in- vent ion.
Des essais effectués sur un compresseur à un étage délivrant do l'air-sous 7 kg/cm rel. (pression d'a- telier) avec admission à la pression atmosphérique, mon- trent que le débit optimal d'injection de liquide varie suivant certaines particularités constructives du compres- seur, et que les résultats obtenus on faisant varier le dé- bit d'injection suivant une loi quantitative bien définic, ainsi que l'illustrent, sans intention limitative, les graphiques des fig.3 et 4.
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La tige ?'montre pour train valeurs du. débit? ##'- d'injection, les variations du rondement-6n fonction de la vinsse périphérique S des rotors. Le rendement est exprimé
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par la "puissance spécifique" Spec Pp e'$at*a-dira la. puis. aanco en chevaux nécessaire pour refouler 1 ' ? d'air à la pression sus¯indiquée par minute. ton courbes A, B cor- respondent respectivement à trois valeurs du éb3 ,d' .nc.. tion croissantes, proportionnelles à 1# 1,,60'et 2,67. z
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Les courbes de oc graphique mettant! en dyleonce plusieurs points importants.
Il est évident tout d'abord qu'il existe pour chaque débit atinieet:.on vitesse dp*?- ,I tlmale nettement définie, et que, dane loe P]Àeo de yitoBsoe utiles autour de cette valeur optimale bout accroissement ,
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du débit d'injection réduit la pi4îesmiot,' spécifique et donc améliore le rondement. On peut trouver 3.a. cause de aettc " dernière constatation 'Jans le fait que les variations do 4/v: àériit .nant ner part,sont par entraftrr dra bzz débit Injonté ne paraissent pas entraîhpr des variations ' * >w proportionnelles des pertes- -par braosaigtit qui démoulent ? >##' beaucoup plus constantan, tandis quo l'augmentation du débit d'injection augmente le rendement grâce à 1'a. crat.fl, , r . directe et efficace du refroidisacmont.
Lo graphique paraît suggérer qu'en augmentant encore le débit d* infection'on aug- Monterait encore le rendement optimal* Ceci peut bien être le cas, cependant, des considérations pratiques intervien- nont pour limiter le débit d'injection maximal! en effet au-delà d'une certaine valeur du débit 1' importance et le prix de l'installation do pompage du liquida viennent Compenser les avantages que pourrait procurer un nouveau.
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gain sur le ï"d'3(ncnt. Do môme, on ce qui concerne le débit minimal, il intervient une limitation do'aécurit6
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s'ajoutant colle relative au rendement.
Dans pratiquement la totalité des cas, en effot, le liquide utilisé est de nature combustible, le plus souvent un hydrocarbure tel qu'une huile de graissage or le débit doit alors êrtre suffisant pour maintenir la température de la machine, qui tend à s'élever en raison.-de la chaleur de compression, in- férieure à la température.-d'Inflammation du liquide, Dans le cas des compresseurs alternatifs ordinaires employant les lubrifiants usuels, on considère 125" environ comme la limita supérieure de sécurité.
De la fig. 3 il ressort encore que pour les résultats optimaux, le débit d'injection du liquide doit présenter un relation bien! déterminée aval la vitesse de fonctionnement.
Comme il est nature)., les pertes par bras- sage croissent avec la vitesse linéaire périphérique, et si: le débit d'Injection est.trop fort pour la vitesse uti- lisser, le rendement.baisse. Cet.1 ressort bien des courbes, où la courber correspond à un débit d'injection égal aux 160 % de celui auquel correspond la courbe A, et la courbe C à un débit étal aux 267 -de celui pour la courbe A, ainsi qu'on l'a dit.
Comme on l'a indiqué plus haut, le débit d'in- jection optimal décroît quand la vitesse périphérique croit.
La Demanderesse a déterminé qu'en vue dos résultats opti- maux il doit exister entre les débits-masse du liquide et du gaz une relation bien déterminée, et de nombreux essais du genre de ceux qui ont conduit aux courbes de la fig. 3, ont montré que la relation optimale devant exister entre la vitesses de fonctionnement et les débits, est représon-
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table par une courbe d'allure hyperbolique telle que la courbe D de la fig. 4, où lo rapport MR des débits-masse est roprésenté en fonction de la vitesse périphérique S.
La courbe D a sensiblement pour équation
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où 0 est une constante qui, 8 étant exprimée en métres/sec, est égale à environ 600.
Bien entendu, on pourra obtenir des résultats satisafaisants dans la pratique avec des rapporta do débita- masse s'écartant quelque peu de part et d'autre de ceux donnés par la courbe D assurant le rendement maximal; dans certains cas., il pourra d'ailleurs arriver que la considé- ration d'autres facteurs économiques prédominera sur la considération relative à l'obtention du rendement maximal Il'doit donc être entendu que conformément à la présente invention, la constante C entrant dans la relation expri- mée par l'équation ci-dessus do la courbe D pourra s'écar- ter do part et d'autre de la valeur (600) indiquée comme optimale, et cela entre les limites approximatives 300 et 900.
Sur la fig.4 les courbes E et F correspondent à ces deux valeurs respectivement La courbe E, limite infé- rieure de la marge utilisable suivant l'invention, corres- pond à des valeurs pour lesquelles la puissance spécifi- que atteint une valeur assez haute pour rendre préférable l'emploi de plusieurs étages décompression avec refroidis- sement Intermédiaire; la courbe F, limite supérieure* correspond aux valeurs pour lesquelles le débit d'éjection devient si abondant que les installations de pompage né- cessaires deviennent prohibitifs.
Il convient en outre
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de remarquer que la formule donnée plus haut est considé- rée comme applicable soulement pour lea valeurs du rapport dos débits-masse MR supérieures à 1,5 onviron, ce qui assu- rera le maintien de températures maximales no dépassant pas les limites de sécurité généralement acceptées,
Il est bien entendu que diverses modifications de forme et de détail peuvent être apportées sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention