Brevet FR2004095A1 — publié le 19691121

La présente invention concerne le réglage ete la puissance d'une machine à vapeur et plus particulièrement un procédé et un dispositif perfectionnés pour régler la puissance de sortie d'une telle machine.. 5 Les installations de production de force motrice opérant en circuit fermé et dans lesquelles une quantité fixe de fluide de travail est recyclée en continu sont connues depuis longtemps et trouvent des applications nombreuses et variées ayant des exigences très diverses.. Dans de nombreux cas, la simplicité, l'ef-10 ficacité et la fiabilité sont des conditions essentielles. Une ferme de machine simple et efficace qui a été mise au point est représentée dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n° 3 279 326. Dans la machine décrite dans ce brevet, le piston porte les moyens d'actionnement des soupapes d'admission et d'échappement. Bien 15 que cette solution simplifie la synchronisation des soupapes et élimine la plupart des dispositifs classiques situés à l'extérieur du cylindre, il est difficile de régler la puissance de sortie de la machine sans agir sur le débit du fluide. Le but de la présente invention est de conserver les avantages essentiels de la ma-20 chine du brevet précité, tout en facilitant le réglagê de la puissance de sortie de celle-ci sans pour autant subir la diminution de rendement qui résulterait de l'utilisation d'une soupape de réglage. L'invention atteint les buts visés par un nouveau mode de 25 construction de la soupape d'admission et de la culasse du cylindre utilisant une soupape balistique et une butée de soupape reliée de façon réglable à la culasse au moyen d'une chambre expansible. D'une façon très générale, des moyens reliés à la tête de piston heurtent la soupape d'admission et la chassent vers la 30 butée réglable, exposant ainsi soudainement la tête de piston au fluide à haute pression du collecteur d'admission. La soupape vole vers le haut et frappe la butée, puis rebondit pour se refermer à un instant qui dépend de la position de la butée. Une charge réglable de fluide est ainsi admise dans le—cylindre, chassant le 35 piston vers le bas et, extrayant ainsi de l'énergie du fluide. Les temps d'ouverture et de fermeture de la soupape peuvent être 69 06850 2 2004095 rendus très courts, comparativement à la durée d'une révolution de la machine, de sorte qu'il ne se-produit pratiquement aucun étranglement du débit du fluide de travail/ D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la • 5 description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif> mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ces dessins, la figure 1 est une représentation schématique d'une ins- -10 tallation de force motrice équipée d'un dispositif de réglage c onf orme à 1'invent i on. La figure 2 est une vue en coupe latérale schématique d'une partie d'un piston et d'un cylindre de la machine de la figure 1, montrant plus en détail le dispositif de l'invention, et 15 la figure 3 est un diagramme de la position de la soupape d'admission en fonction de l'angle de rotation du vilebrequin; L'installation motrice illustrée schématiquement par la figure 1 est représentée et décrite plus en détail dans la demande de brevet des Etats Unis d'Amérique n°713.643 du. 18 Mars 20 1968 déposée par Robert J. KàSPŒXt Joseph COURAIT et Thomas G.B.QBIÏ7S01?'et demande, de brevet des Etats Unis d'Amérique H° 713.984 ' du ."18 Mars 1968 déposée Robert HAKVEY et Edward F. DOUE, sauf en ce que la soupape de régulation représentée et décrite dans les demandes précitées n'est pas nécessai-25 re dans la machine de l'invention, e"t que la tête de celle-ci a été modifiée de la manière décrite ci-contre. En bref, l'installation comprend une chaudière, désignée dans son ensemble par 1 , conçue pour fournir un fluide moteur sous pression à un moteur 3 par uné conduite appropriée 5. Le fluide 30 sortant du moteur 3- est dirigé vers un condensateur 7 par une conduite 9. "Le condensât du condensateur 7 est aspiré par une. pompe 11 et est renvoyé dans la chaudière 1 par un conduit 13» Le moteur 3 comprend essentiellement un cylindre 15 équipé d'un'collecteur d'admission 17 auquel le conduit 5 est raccordéi 35 Lé collecteur d'admission 17 est séparé de la* chambre de travail 19 par une -paroi 21. Le fluide moteur est admis dans -la chambre 69 06850 3 2004095 de travail 19, en provenance du collecteur d1admission 17, quand une soupape d'admission 23 s'ouvre et permet à celui-ci de traverser un orifice de la paroi 21. Dans le cylindre 15 coulisse un piston 25 pourvu d'une tige 5 27« La tige de piston 27 est reliée à un vilebrequin classique 29 au moyen d'un bras de transmission 31 et d'un. bras de manivelle 33. Le vilebrequin 29 peut entraîner une charge appropriée, non représentée. Il est également relié, comme indiqué schémati-quement, par un bras de manivelle 35 et un bras de liaison 37 à 10 la tige 39 du piston de pompe 41. On voit sur le dessin que la pompe 11 fonctionne de façon clasqique grâce à l'action de deux soupapes d'arrêt indiquées schématiquement en 43 et 44 quand le piston 41 se déplace alternativement; Pour les raisons exposées en détail dans les. demandes de bre-15 vet des Etats Unis dlAmérique 'précitées , il est extrêmement souhaitable que le fluide moteur soit contenu dans une région dans laquelle aucun autre fluide n'est présent. C'est la raison pour laquelle la base du eylindre 15 est fermée par un moyen approprié figuré ici schématiquement par un soufflet 45. 20 Pour la même rai&on, la base du cylindre 47 de la pompe 11 est fermée hermétiquement par diaphragme 49. Sur le piston 25 du moteur 3 e^mt montées à pivot un certain nombre de soupapes dr échappement qui peuvent être dru type de celles représentées et décrites en détail dans le brevet des 25 Etats Unis d'Amérique nr 3 361 036. Ces soupapes sont normalement tenues ouvertes par des ressorts 53 et sont fermées par des poussoirs 54, chargés par des ressorts, immédiatement avant que le fluide du collecteur d"'admission 17 soit admis par suite de l'ouverture de la soupape 23. Les soupapes 51 restent fermées pendant 30 la course vers le bas du piston jusqu'à ee que leurs tiges 55 rencontrent des butées 57, ce qui provoque leur ouverture avant que le piston atteigne son point mort bas. En se référant à la figure 2, on voit un taquet 59 monté élastiquement sur le piston 25 dans un logement 61 prévu dans la 35 tête de celui-ci. Le taquet 59 est sollicité à s'appliquer contre un épaule me nt 6-J par un ressort 65. Quand 1© ressort 65 est suf— 69 06850 4 2004095 fisamment comprimé, la partie inférieure du "taquet 59 s'applique contre un pilier vertical 67 qui est directement relié au piston 25. La soupape 23 comporte des parois verticales 69 qui eoopè-5 rent avec une cage de guidage 71 pour l'empêcher de balancer. La cage 7Î est formée d'un élément de paroi 73. de la culasse du cylindre et qui est de la même matière que celle-ci, et comporte un coussinet cylindrique intérieur 75- Le coussinet 75 est, de préférence, fait drune matière pouvant être lubrifiée avec le fluide "ko moteur- C'est ainsi, par exemple, que dans un mode de réalisation particulier et préféré de la présente invention, aù le fluide moteur est de l'eau pure désaérée, le coussinet 75 est en graphits afin de former un palier lubrifié à l'eau. La parai métallique 15 du cylindre est également chemisée d'un fourreau de graphite 15 analogue 77 qui constitue une surface de glissement lubrifiée à l'eau pour la jupe du piston 25. Gomme représenté, la cage 7\ est percée drorifices supérieurs 79 et drorifices inférieurs 81 pour admettre le fluide moteur dans la région entourant la soupape 23. 2Q . Au sommet de la cage 71 est disposée une butée mobile 83 comportant une partie inférieure 85 venant au contact de la soupape et une partie supérieure 87 reliée à la culasse du cylindre par un élément d'arrêt expansible figuré par un soufflet 89. Le soufflet 89 peut être soudé ou fixé de touteautre manière appro-25 priée à 1a. partie 87 et à la culasse 31 du eylindre t5. La "butée 83 peut être déplacée vers le haut ou vers le "bas par report à la tête de la soupape. 23 par un moyen classique appropriés représenté schématiquement sur la figure ' 1- par un système de leviers 93a et sur la figure 2f par un ensemble de réglage à vis 30 93b. En se référant maintenant à la figure T,. on voit que l'en- , semble 93a peut comprendre deux leviers 95 et 97 articulés entre la butée 83 et tin support approprié 99 qui est' fixe par rapport au cylindre T5. La distance entre la butée 83 et le. sommet àc la 35 soupape 23, quand celle-ci est ferûiéef peut être réglée en déplaçant alternativement un organe d1 actionnement approprié 101comme V ctf* * 69-06850 5 2004095; l'indiquent les flèches de la figure 1. le réglage correspondant de l'ensemble. 93b de la figure 2 s'effectue en tournant un élément d1 actionne ment 103 relié à une vis 105. la vis 105 est au contact du sommet 87 de la "butée mo-.5 . bile 83 et, se visse dans un support approprié qui, dans le présent exemple,, est un prolongement 107 de la culasse 91. Il est "bien entendu que le dispositif de réglage indiqué schématiquement en 93a sur la figure 1 et en 93b sur la figure 2 peut être relié à un régulateur de vitesse de moteur'classique. .10 .Dans certaines applications, il peut être ufcilts de relier ce dispositif de réglage à un servo-mécanisme ayant pour fonction do régler la vitesse ou la puissance délivrée par le moteur, selon une. variable de commande déterminée. C'est ainsi, par exemple, que l'intensité, la tension ou la fréquence d'un alternateur en-15 traîné par le moteur pourrait être utilisée pour la régulation du moteur. Comme lo montre clairement la figure 2, les soupapes d'échappement 51 sont pourvues de guides 107 coulissant dans des alésages cylindriques 109 prévus dans le cylindre 25. De préfé-20 rence, on prévoit quatre soupapes d'échappement 51 disposées symétriquement autour de l'axe longitudinal du cylindre 25. Des orifices 111 et 113 communiquant avec les canaux 109 peuvent être prévus. dans le piston pour permettre le passage des gaz d'échappement quand les soupapes sont ouvertes. 25 • f Les soupapes 51 sont représentées dans leur position d'ouverture, position vers laquelle elles sont sollicitées ' élastique-ment par les ressorts 53 et dans laquelle elles sont retenues au moyen de clips 115 logés dans des gorges,117 creusées dans la queue 55 des soupapes. 30 les poussoirs 54 des soupapes d'échappement' coulissent dans des chambres 119 prévues dans la paroi 21. les poussoirs'54 jeu-vent être retenus dans les chambres 119 par'un moyen quelconque, par exemple, par un .rebord annulaire 121, comme représenté. Des ressorts 123 logés dans les chambres.119 sollicitent les poussoirs 35 54 vers le bas de la figure 2. cP' G°\ 69068S0 6 2004095 Les soupapes, d'échappement. 51 .et la tige 123 de la soupape d'admission 23 sont,, de préférence, calculées de manière que, quand le piston 25 s'élève .vers son point mort haut, les soupapes 51 rencontrent .les poussoirs 54 à peu près au-même instant où 5 - la tige 123 heurte le taquet 59. Conme. on le verra par la suite, la soupape d'admission -.23 ne s'ouvre. pas immédiatement, alors que les soupapes 51 sont repoussées yers le "bas. dans .leur position de fermeture par la rencontre, avec les poussoirs- 54.- Ainsi, les soupapes d'échappement sont tenues fermées par le fluide de 1.0 travail à haute pre;ssion admis quand la soupape 23 s'ouvre. - - On va décrire maintenant le fonctionnement du dispositif de 1'.invention en se référant aux figures 1, 2 et 3. Pour simpli-., fier, on va décrire son fonctionnement en supposant que le fluide _ ..moteur est•la^vapeur, bien, qu'il soit évident que la nature du 15 fluide utilisé" n'ait pas une importance caractéristique dans la définition de l'invention. Etant donné que les détails de la chau-• dière, les moyens de chauffage de celle-ci et les mécanismes de soupape prévus pour mettre en marche-et arrêter l'installation motrice ne font.pas partie de l'invention et peuvent être clas-20 siqu-es, on va. décrire le fonctionnement de la machine en supposant que la chaudière est en marche et que de la vapeur sous pression est disponible. - La machine peut être, mise en marche en tournant à la main .. l'arbre 29 de la figure 1 ou par tout autre moyen classique pour 25. faire tourner cet arbre de faç.on à ouvrir la soupape 23 pour admettre une charge initiale de vapeur du collecteur d.'admission 17 dans la chambre de travail 19 située au-dessus du. piston 25. Après, avoir effectué ainsi un ou deux cycles, la machine se met en marche d'elle-même. Pendant les quelques premiers tours, le 30. fonctionnement, est le même que celui correspondant ,au fonctionnement normal en régime continu,. sauf qu'il sera forcément d'un moins bon rendement jusqu'à ce que l'arbre ait atteint sa pleine vitesse. Dans le mode de réalisation particulier décrit çi-après, . la vitesse d'équilibre de l'arbre se situe autour de 3600 tours/ 35 minute et le maximum de la pression d'admission de la vapeur est. p -- de 56 kg/cm à une température d'environ 800°C. 69 06850 7 2004095 Pour commencer la description, on suppose que le piston 25 ost dans la position intermédiaire représentée sur les figures 1 et 2 et qu'il srélève vers son point mort haut. A ce moment, la soupape 25 est fermée et la pression qui règne dans la chambre 5 de travail 19 est essentiellement la pression d'échappement, les soupapes d1 échappe ait; nt 51 étant ouvertes» Quand le piston approche de son point mort haut j les premiers événements significatifs sont le contact entre la base de la tige de la soupape 23 avec le sommet du taquet 59 et le con-ÎO tact entre les a-oupapes 51 et los pcfo.ssoirs 54, comme décrit ci-dessus. En considérant plus particulièrement le fonctionnement de la soupape d'admission, il est à remarquer que le ressort 65 est calculé de façon que le seul résultat immédiat de cette rencontre- est qu'il'est comprimé de sorte que le taquet 59 se rapproche 15 du pilier 67 pendant que le piston s'élève. A ce moment, la sou-pape 23 est soumise a nie pression d'environ 56 kg/cm dans sa position d-j fermeture. Ensuite, quand le taquet 53 vient s'appliquer contre le pilier 67, il en résulte un coup très brutal sur la soupape 23,- coup qui la chasse de son siège et produit une aug— 20 mentation brusque de la pression dans la chambre de travail 19. La figure 5 est un diagramme de la position X de la soupape, mesuré à partir de sa position de fermeture, en fonction de l'angle x du vilebrequin mesuré par rapport au point mort haut. Sur la figure 5, A désigne- le point auquel la soupape 23 s'ouvre. 25 La chute de pression dans lrorifice annulaire qui s'ouvre O lorsque la soupape 25 se lève est d 'environ 1,5' à 2 kg/cm » Quand la soupape 25 se lève 6l9 06850 8 2004095 Quand le piston commence à descendre^ la soupape 23 heurte la partie d'arrêt 85 et rebondit vers son siège. Ceci se- produit à un point B, C ou D de la figure 3, selon le réglage de la butée 83. Pendant ce temps, la soupape 23 est empêchée de balancer 1 5 par le guide 71. A un certain point B , G ou D t qui dépend du réglage de la butée mobile 83, la soupape 23 se replace brusquement sur son siège et la pression diminue dans la chambre de travail 19 pendant que le piston effectue tin travail correspondant* De la manière décrite-plus en détail dans le brevet précité n° 10 3 361 036", les soupapes 5-1 restent fermées jusqu'à ce que le piston approche de son point mort bas, où elles sont ouvertes mécaniquement par les butées 57 indiquées schématiquement sur la figure t. Les soupapes d'échappement sont ensuite tenues ouvertes par les ressorts 53 jusqu'au cycle suivant* oit elles sont refer--15 mées comme décrit ci-dessus. En rapprochant la butée 83 du sommet de la soupape 23, pendant que celle-ci est fermée, le point auquel la soupape 23 se re place sur son siège se décale vers la gauche de la figure 3, ce qui diminue la quantité totale de vapeur admise dans le cylindre 20 pendant une course. De même, en écartant la butée, on augmente la. quantité de vapeur admise pendant une course. Etant donné que le travail que le piston peut effectuer est directement déterminé par la quantité de vapeur qui est admise, la puissance de sortie du moteur est ainsi facilement réglable sans étrangler l'ad-25 mission, et la vitesse de eelui-ci s'adapte automatiquement, dans une large plage utile, à la charge de façon à maintenir la puissance de sortie choisie. Il est clair que le réglage produit par le dispositif décrit ci-dessus dépend de la période pendant laquelle- la soupape 30 25 quitte le taquet 59 et s'élève librement pour venir heurter. la butée 83 pour rebondir ensuite » Il dépend également de la distance suivant laquelle le taquet 59 se déplace vers le bas hors de la trajectoire de la soupape 23 avant que celle-ci se replace sur son siège» Bien qu'un certain degré de réglage puisse être 35 effectué lorsque la soupape heurte le taquet immédiatement avant qu'elle soit complètement replacée sur son siège f il est à remar- 9 2004095: quer qu'en général, lorsque la "butée 83 est suffisamment "basse pour que la soupape heurte le taquet avant de rencontrer son siège, l'angle du vilebrequin auquel la soupape est replacée sur son siège est déterminé par le taquet de la manière décrite dans la 5 demande de brevet des Etats Unis d'Amérique n° précitée. En d'autres termes, cette condition détermine la limite minimale de réglage de la puissance de sortie, la limite maxipale de réglage est atteinte quand la butée a été suffisamment éloignée de la soupape 23 pour que cette dernière soit rappelée par la pres-10 s ion de la vapeur avant de heurter la butée, comme indiqué en E i sur la figure 3. le dernier point E auquel la soupape 23 est replacée sur son siège dépend, dans une certaine mesure, des paramètres de réalisation du moteur connus en soi,dos tGchnicions^mai/ tous les cas, la soupape 23 doit être revenue sur son siège avant 15 que les soupapes d'échappement 51 s'ouvrent. Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre d'exemple préférentiel explicatif, mais nullement limitatif, et que l'on pourra introduire toute équivalence • dans ses éléments constitutifs sans sortir de son cadre. 69 06850 10 2004095 RBVEî-IDICAT IONS 1. Dispositif de réglage de la puissance de sortie pour une machine à vapeur, caractérisé en ce qu'il comprend un cylindre, un piston logé dans ce cylindre, un orifice d'admission pré- 5 vu dans le cylindre pour adméttre un fluide de travail sous pression dans la région de travail comprise entru le piston et le cylindre, une soupape adaptée à fermer ledit orifice, des moyens reliés au piston pour chasser la soupape de; son siège- quand le piston approche de son point mort haut, une butée et des moyens 10 de réglage supportant ladite butée sur le trajet parcouru par ladite soupape quand elle est chassée de son siège, lesdits moy- • ensayant une plage de réglages suffisante pour déplacer la butée dans une gamme de positions dans chacune desquelles la soupape rebondit de la butée pour se replacer sur son siège à une posi- 15 tion différente du piston après le point mort haut, position danô' laquelle ledit piston est en dehors du trajet de la soupapei 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un guide disposé près de la soupape pour restreindre ses mçuvèménts à un mouvement alternatif sensiblement libre 20 entre ledit siège et ladite butée. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments de pai'oi disposés autour dudit orifice d'entrée, de ladite soupape et de ladite butée et formant une chambre de réception de fluide, lesdits éléments de paroi 25 constituant "une barrière expansible.étanche au fluide entre ladite butée et lesdits moyens de réglage. 4. Procédé de réglage d'une machine à vapeur ayant une soupape d'admission balistique chassée de son siège pendant la course vers le haut du piston qui comprend les étapes suivantes : pla- 30 cer sur le trajet de la soupape mne butée et déplacer7cette butée sur une gamme de positions dans'chacune desquelles la soupape rebondit de la butée pour se replacer sur son siège à une position f ' "b différente du piston, pendant la course vers le bas.de celui-ci.