Brevet FR2013617A1 — publié le 19700403

La présente invention concerne une machine tournante à débit volumétrique. Quand on l'utilise en moteur, elle peut faire usage d'un fluide-moteur sous pression. Selon la présente invention, une machine tournante à débit volumétrique comprend une enveloppe, un roter monté à rotation dans cette enveloppe et présentant une gorge disposée autour de l'axe du rotor, et un élément de butée venant s'engager dans cette gorge, l'enveloppe, le rotor et ledit élément délimitant entre eux au moins une chambre volumétrique, et l'enveloppe présentant au moins un orifice d'entrée, un orifice d'échappement et un orifice de pression, l'élément de butée étant disposé entre les orifices d'entrée et d'échappement et séparant de façon étanche ces orifices, les divers orifices étant agencés de manière à venir successivement en regard de la chambre volumétrique, et au moins deux des orifices pouvant eAtre fermés en synchronisme avec la rotation du rotor. Egalement selon l'invention, une machine tournante à débit volumétrique comprend une enveloppe, un rotor présentant une surface obturante qui vient s'appliquer hermétiquement contre l'enveloppe et qui présente au moins une gorge disposée autour de l'axe du rotor, cette gorge présentant-des extrémités espacées qui dépassent de la surface obturante du rotor, au moins une roue à butées montée à rotation dans l'enveloppe autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du rotor,et portant une série de butées circonférentiellement espacées et destinées à s'engager successivement dans la gorge quand le rotor et la roue à butées tournent autour de leurs axes respectifs, une chambre volumétrique étant délimitée entre l'enveloppe,la gorge du rotor et une butée engagée dans la gorge, et un orifice d'entrée ainsi qu'un orifice d'échappement étant prévus de part et d'autre de An butée, un orifice de pression étant également prévu pour admettre un fluide-moteur sous pression dans ladite chambre. L'orifice de pression, ou l'orifice d'entrée, ou les deux peuvent être réglables en position par rapport au rotor. Un autre élément de butée peut etre installé à côté de l'orifice de pression. L'enveloppe peut comprendre une chambre de compression et de détente en communication avec l'orifice de pression. Des moyens de chauffage peuvent également etre prévus pour fournir un supplément de chaleur au fluide-moteur qui passe de la chambre de compression et de détente à l'orifice de pression. L'invention a également pour but de fournir un procédé de fonctionnement de la machine décrite, aussi bien en pompe qu'en moteur, procédé qui consiste à recycler par l'orifice de pression au-moins une partie du fluide-moteur à partir de la chambre de compression et de détente vers la chambre de débit volumétrique. Ce procédé peut également permettre le réglage du taux de recyclage de fluide-moteur, réglage qu'on effectue en modifiant la position de l'orifice de pression par rapport au rotor, de sorte qu'on contrôle la durée au cours de laquelle l'orifice de pression est ouvert à la gorge. Dans le présent mémoire, l'expression "fluide-moteur" ne désigne pas seulement un fluide sous pression chargé d'entral- ner un moteur, mais aussi un fluide refoulé sous pression. Au cours d'un cycle d'opérations, une chambre d'aspiration et une chambre de compression et de détente (mentionnée plus haut) seront délimitées successivement entre le rotor, l'enveloppe, les orifices et l'élément de butée, et ces chambres peuvent déboucher dans une chambre de réglage quantitative du fluide d'échappement. Quand on utilise l'appareil selon l'invention en qualité de moteur ou de pompe volumétrique à débit variable, une partie du fluide d'échappement peut être recyclée vers l'orifice d'entrée de sorte que l'on peut régler le débit de ce recyclage en augmentant ou en diminuant la longueur de la chambre d'aspiration, si bien qu'on obtient un moteur ou une pompe du type volumétrique à débit variable. En variante, pour utiliser cette machine en qualité de moteur thermique, la chambre de réglage du débit d'échappement peut présenter une entrée en provenance de la chambre d'expansion et de détente. Cette entrée peut également avoir la forme d'un orifice qui vient en concordance avec la chambre de débit volumétrique et qui peut être obturé en synchronisme avec la rotation du rotor. Get orifice d'entrée peut constituer l'orifice de pression. Les moyens de chauffage peuvent être installés dans loe. chambre de compression et de détente. En variante, ils peuvent être installés dans la canalisation entre cette chambre de compression et de détente et l'orifice de pression de la chambre de réglage quantitatif de l'écoulement. L'orifice d'échappement de cette chambre de réglage quantitatif de l'écoulement et l'orifice d'entrée de la chambre d'aspiration peuvent être tous deux ouverts à l'atmosphère. L'orifice d'entrée de la chambre d'aspiration et l'orifice d'échappement de la chambre de réglage quantitatif peuvent être en communication, auquel cas un dispositif de refroidissement peut être installé de manière à refroidir le fluide-moteur d'échappement chaud pour obtenir un fluide-moteur froid. La conduite provenant de la chambre de compression et de détente et allant jusqu'à la chambre de réglage quantitatif peut être reliée à ladite conduite d'entrée du fluide d'échappement, à la façon d'un échangeur de chaleur, afin de préchauffer les gaz d'entrée admis dans la chambre de réglage quantitatif et, en même temps, soumettre à un refroidissement préalable les gaz d'échappement. Un élément de butée séparateur peut servir à diriger les gaz comprimés froids à travers la conduite allant de la chambre de compression et de détente vers la chambre de réglage quantitatif. Quand le fluide-moteur est refroidi jusqu' à devenir un liquide, par exemple lorsque de la vapeur d'eau est transformée en eau condensée, on peut utiliser la chambre d'aspiration pour aspirer le fluide condensé et l'envoyer dans la chambre de compression et de détente d'où il peut être dirigé vers la source de chauffage, par exemple une chaudière, soit par gravité, soit en raison de la force centrifuge développée par la rotation du rotor. En raison de la différence importante entre la densité de l'eau condensée et celle de la vapeur d'eau, aucun brassage ne se produit entre l'eau condensée et la vapeur d'eau et, par conséquent, l'élément de butée séparateur n'est pas requis. La source de chauffage peut fournir de la chaleur directement au fluide-moteur qui s'écoule à travers le moteur, par exemple par combustion d'un combustible dans le fluide-moteur. En variante, la source de chauffage peut fournir de la chaleur indirectement au fluide-moteur qui s'écoule à travers le moteur, par exemple lorsqu a chaleur est fournie au fluide-moteur par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur, auquel cas cette source peut être une chaudière. Le cycle rotatif du moteur convient pour n'importe quelle machine tournante à débit volumétrique dont les orifices s'ouvrent et se referment suivant la séquence correcte. La description ciaprès concerne des machines tournantes à débit volumétrique du type dans lequel l'organe rotatif (rotor) présente des gorges hélicoïdales et les butées sont agencées sous forme d'une roue à butées. Cependant l'invention n'est pas limitée à cette construction particulière. C'est ainsi que le rotor peut être sous forme d'un disque et les gorges peuvent être spiralées. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 à 5 sont des coupes transversales schématiques d'un moteur rotatif dans différentes positions angulaires. La figure 6 est une coupe longitudinale d'unepartie d'un rotor à une seule gorge et d'une enveloppe. La figure 7 est une vue schématique d'un agencement à ccycle fermé d'un mode de réalisation du moteur rotatif (en coupe transversale). La figure 8 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation du moteur rotatif qui est en l'occurrence un moteur à vapeur d'eau. la figure 9 est une vue schématique d'un moteur rotatif à démarrage automatique les figures 10 à 13 représentent en détail diverses positions du rotor dans l'appareil de la figure 9 la figure 14 est une vue schématique du montage fondamental du moteur la figure 15 représente une variante du montage de la figure 14 les figures 16 à 20 sont des coupes transversales schématiques d'une pompe ou moteur volumétrique à débit variable dans différentes positions angulaires la figure 21 représente schématiquement la disposition des orifices de recyclage et de pression dont le minutage est variable afin de régler le taux de recyclage du fluide-moteur. Un rotor 28 est monté en rotation dans une enveloppe 29. Sur la figure 1, le point A représente le départ d'une gorge hélicoldale 28.1 du rotor, ce point étant également indiqué sur la figure 6. Le point B représente l'extrémité de la gorge 28.1. Une flèche 22 montre le sens de rotation du rotor 28 dans l'en veloppe 29. Quand le point A du rotor passe par un point 2, qui est le point initial de la chambre d'aspiration, une dépression s'établit et un orifice d'entrée 4 admet du gaz froid dans la chambre d'aspiration. Cette chambre d'aspiration est donc située entre ce point 2 et un point 6. Quand le point A atteint un point 30 sur la figure 2, l'hélice du rotor 28 obture l'orifice d'entrée 4 comme le montrent schématiquement la ligne foncée 32 sur les figures 2 et 3 et le bord 68 sur la figure 6. On supposera d'abord que la machine fonctionne comme moteur. La progression du point A jusqu'au point 34 sur la figure 3 permet d'établir un passage entre un espace 16 qui contient du gaz comprimé et la chambre d'aspiration.Le gaz comprimé contenu dans l'espace 16 pénètre dans la chambre d'aspiration et remplit deux fonctions, en premier lieu, il comprime le fluide gazeux aspiré et, en second lieu, il fournit une force au rotor qui se traduit par le développement d'un couple dans le rotor dans le sens de la flèche 22. Une force de réaction agit sur une butée 26. L'espace 16 conjointement avec la chambre d'aspiration constitue une chambre de compression et de détente qui communique avec un orifice de pression 20. La figure 6 montre la manière dont l'orifice d'entrée 4 ou l'orifice de pression 20 est obturé par le méplat adjacent à la gorge au cours de la rotation du rotor. La longueur de la gorge peut avoir toute valeur désirée. L'enveloppe présente un alésage 29.1 et la surface extérieure du rotor-forme une surface obturante qui vient en contact étanche avec l'alésage 29.1 de l'enveloppe. Les extrémités espacées A et B de la gorge se terminent sur la surface extérieure du rotor. Une roue 23 porte une série de butées 26 circonférentiellement espacées et destinées à venir en contact hermétique, successivement, avec la gorge 28.1 lorsque la roue 23 tourne autour de son arbre 21. L'axe de l'arbre 21 est perpendiculaire à l'axe du rotor 28. La roue 23 tourne dans l'orifice d'échappement 14.Une autre roue identique portant des butées 24 circonférentiellement espacées est installée dans l'espace 16 à côté de l'orifice de pression 20. Pendant la compression, un couple positif s'exerce sur le rotor 28 car, aussi longtemps qu'une force de réaction agit sur la butée 26, un couple positif s'exerce obligatoirement sur le rotor. La force de réaction sur la butée 26 persiste jusqu'au moment où le point E arrive en 2. k ce stade, la butée 26 se dégage de la gorge en B et, étant donné que les deux extrémités de la gorge sont alors sous pression, aucun couple ne s'exerce sur le rotor. Le couple positif indiqué ci-dessus s'exerçant sur le rotor existe aussi longtemps que l'on néglige le rôle de la butée séparatrice 24. Quand le point A franchit l'orifice de pression 20 (figure 4) qui débouche dans la chambre de réglage quantitatif du débit formée à ce stade, le fluide-moteur comprimé provenant de l'espace 16 pénètre dans cette chambre. Entant donné que les deux extrémités A et Il de la gorge sont alors soumises à la même pression, il ne se crée aucun couple. Quand le point A atteint le point 8 sur la figure 4, l'orifice de pression 20 est obturé par le méplat du rotor, comme l'indique la semiligne foncée 34.Le fluide-moteur emprisonné dans la gorge (chambre de réglage quantitatif) se détend alors à mesure de la rotation du rotor et établit ainsi une différence de pression depart et d'autre de la butée 24- se traduisant par l'application d'un couple négatif au rotor. Quand le point A franchit l'ouverture d'échappement 14, la pression dans la gorge (c'est-à-dire dans ladite chambre) tombe. Alor-s que l'extrémité de la gorge B progresse jusqu'à la butée 26, la totalité du fluide-moteur dans la gorge est balayée par la butée 26-vers l'orifice d'échappement 14, de sorte que le cycle est maintenant complet. Pour maintenir la pression dans l'espace 16, le fluide-moteur à basse pression qui est aspiré doit être chauffé à un degré tel que le volume du fluide-moteur froid dans-la chambre d'aspiration , après compression, augmente à une valeur égale à celle du volume du fluide-moteur chaud sous pression dans la chambre de réglage quantitatif partiellement remplie. Le chauffage du fluide-moteur est indiqué schématiquement sur les figures 1 à 5 par une flamme 70 qui est par conséquent produite par un dispositif de chauffage externe, maisce chauffage pourrait aussi bien entre réalisé par combustion interne. La figure 7 (sur laquelle le rotor n'est pas représenté) montre schématiquement l'agencement en cycle fermé du moteur rotatif dont l'orifice d'échappement 14 communique avec l'orifice d'entrée 4. L'espace 16 communique par une conduite 18 avec l'orifice de pression 20. Un échangeur de chaleur 42 est installé dans la conduite 18 et le chauffage du fluide-moteur est indiqué schématiquement en 38. Un refroidisseur 40 permet de refroidir le fluide d'échappement chaud provenant de l'orifice 14 et se dirigeant vers l'orifice 4 d'entrée du fluide froid. Bes conduites 18 et 36 ainsi que la conduite 42 sont connectées ensemble à la façon d'un échangeur de chaleur pour préchauffer et prérefroidir les différents courant de fluidemoteur. Le cycle de fonctionnement du moteur rotatif de la figure 7 est identique à celui qui est indiqué sur les figures 1 à 5. La figure 8 représente la même séquence de fonctionnement que la figure 7, sauf en ce qui concerne une légère différence. Le fluide-moteur est dans ce cas la vapeur d'eau. Quand on refroidit cette vapeur dans l'appareil 40 pour la transformer en eau condensée, cette eau est aspirée dans la chambre d'aspiration située entre les points 2 et 6. Quand le départ de la gorge (point A qui n'est pas représenté sur la figure 8) franchit le point 6, la vapeur d'eau sous pression dans l'espace 16 sera admise dans la chambre d'aspiration et exercera un couple positif sur le rotor. En même temps, l'eau condensée dans la chambre d'aspiration qui est alors sous pression sort de cette chambre d'aspiration par gravité ou sous l'effet de la force centrifuge (voir flèche 72) et pénètre dans la chaudière 44.Cette vapeur applique un couple positif au rotor aussi longtemps que la butée 26 est soumise à une force de reaction. L'ouverture d'entrée 16 de la vapeur est obturée par le rotor avant l'ouverture de l'orifice d'échappement 14 car, s'il en était autrement, un "court-circuit" se produirait entre l'entrée et la sortie. On peut également effectuer un remplissage partiel de la gorge (chambre de réglage quantitatif). Sur cette figure 8, le cycle fermé comporte également un condenseur. En raison de la densité élevée de l'eau condensée, on peut utiliser la gravité ou la force centrifuge pour vidanger l'eau de la chambre d'aspiration, de sorte qu'il est inutile de prévoir une butée séparatrice 24 (figure 4). La figure 9 représonte un montage assez semblable à celui des figures 7 et 8 mais on utilise dans ce cas la pression fournie par une bouteille de gaz liquide 46 pour que le moteur rotatif soit à dé:rage automatique. Le fonctionnement se déroule de la façon suivante Quand un régulateur de pression 48 est ouvert, le gaz sous pression traverse un coupe-flamme 50 et un clapet anti-retour 52 afin que la chambre de combustion 60'soit mise sous pression, ce qui a pour effet de fermer un clapet antiretour 56 et d'alimenter à travers l'orifice 20 l'une des deux gorges du rotor avec du gaz non brûlé sous pression, à la suite de quoi le moteur se met en route. Une fois que le moteur a commencé à tourner, l'air frais est aspiré en 4 et arrive dans l'espace 16.Lorsque la pression dans l'espace 16 dépasse légèrement celle de la chambre de combustion 60, l'air frais traverse la conduite 18, un coupe-flamme 58, le clapet de retenue 56 pour pénétrer dans la chambre de combustion 60 dans laquelle il se mélange avec le gaz provenant de la bouteille 46. Le mélange d'air frais et de gaz est allumé par un dispositif d'allumage 54 qui peut être un enroulement incandescent ou un filament de platine, ou tout autre dispositif convenant dans ce but. Avec la chaleur qui augmente, le volume du gaz s'accroît et les gaz chauds sont dirigés dans l'orifice de pression 20, pour traverser ensuite la chambre de réglage quantitatif du débit et arriver dans l'orifice d'échappement 14. Les coupe-flamme 50 et 58 empêchent la flamme de revenir respectivement dans la bouteille 46 et dans l'espace 16. Les figures 10 à 13 représentent le démarrage automatique de l'appareil de la figure 9 avec du gaz non brûlé. Le rotor 28 comporte deux gorges dont la première 62 est indiquée en trait plein et la seconde 64 en tirets, chaque gorge étant représentée comme ayant une longueur d'arc d'environ 3500. Sur la figure 10, le fluide-moteur sous pression est admis par 1' orifice de pression 20 pour exercer un couple positif sur le rotor et une force de réaction sur la butée 24. ;e clapet anti-retour 56 (voir figure 9) empêche le gaz non brûlé de pénétrer dans l'espace 16. Le couple positif continue à s'exercer sur le rotor jusqu'au moment où le point A arrive au point 12 (figure 12). Pendant ce temps, le point k' de la gorge qui est indiquée en tirets est arrivé en 20. De ce fait un couple positif s'exerce également sur le rotor;voir les petits points sur la figure 12, qui indiquent le gaz sous pression exerçant une poussée sur les gorges du rotor. Etant donné que les couples positifs exercés sur le rotor par la gorge en trait plein et par la gorge en tirets empiètent l'un sur l'autre, le couple est continu et le moteur possède donc la caractéristique de démarrage automatique. Sur les figures précédentes, on a toujours représenté un rotor cylindrique avec des gorges hélicoïdales. On peut réaliser les mêmes agencements (aspiration, compression, etc) avec une machine dont le rotor est en -forme de disque et présente des gorges spiralées, ainsi d'ailleurs qu'avec un agencement quelconque de rotor et de gorges combinant ces deux formes de montage. il est évident qu'on pourrait utiliser plus d'une gorge et, dans certains cas, cela est même essentiel, par exemple pour l'auto-démarrage.Alors qu'une seule butée (24, 26) est représentée, dans la pratique on utilise plusieurs butées qui sont sous forme d'une roue portant ces butées et montée à rotation dans l'enveloppe. ainsi la butée 24 sera l'une des butées de la roue alors que la butée 26 est l'une des butées d'une roue identique. Sur la figure 14, on a représenté un montage fondamental d'un moteur selon l'invention. Sur la figure 15, une butée 24 supplémentaire est installée dans l'orifice de pression 20. Les autres éléments portent les mêmes références que sur les autres figures. Les figures 16 à 21 représentent un mode de réalisation de la machine pouvant fonctionner en pompe ou en moteur. Le fonctionnement de cet appareil est le même que-celai de la machine représentée sur les figures 1 à 6 sauf qu'aucune butée n'est disposée entre les ouvertures d'entrée et d'échappement. La figure 16 montre la façon dont a lieu le recyclage depuis l'espace 16 vers la gorge située sur l'autre côté de la butée 24 à travers le passage 20.1 et l'orifice de pression 20. L'orifice d'entrée 4 est obturé par un méplat du rotor (voir ligne foncée 32). La figure 17 montre l'orifice de retour 20 (orifice de pression) et l'orifice d'entrée 4, tous deux obturés par des méplats du rotor (voir les lignes foncées 32 et 34). La figure 18 représente l'orifice d'entrée 4 qui est ouvert pour permettre l'entrée de fluide frais tandis que l'orifice de retour 20 (orifice de pression) reste fermé. La figure 19 montre que l'orifice d'entrée 4 se referme avant que la gorge ne soit mise en communication avec l'espace 16. La figure 20 représente le début d'un nouveau cycle de fonctionnement, c'est-à-dire une position qui précède immédiatement celle de la figure 16. La figure 21 représente schématiquement en plan l'appareil selon les figures 16 à 20. Sur cette figure, on a également indiqué un coulisseau 20.2 dont la position par rapport au rotor 28 est réglable. Aussi bien l'orifice de pression 20 que l'orifice d'entrée 4 sont montés sur ce coulisseau. L'orifice de pression 20 communique avec le passage à l'aide d'une liaison flexible ou coulissante. Le réglage de la position du coulisseau 20.2 permet d'ajuster la position des orifices 20 et 4 et, par conséquent le degré de recyclage depuis l'espace 16 vers la gorge à travers l'orifice 20. On peut également effectuer le réglage des orifices 20 et 4 de façon indépendante en montant chacun d'eux sur un coulisseau séparé semblable au coulisseau 20.2 REVENDICATIONS 1.- Machine tournante à débit volumétrique, comprenant une enveloppe, un rotor monté à rotation dans cette enveloppe et présentant une gorge disposée autour de l'axe du rotor, et un élément de butée venant s'engager dans cette gorge l'enveloppe, le rotor et l'élément à butées délimitant entre eux au moins une chambre volumétrique, caractérisée en ce que l'enveloppe présente au moins un orifice d'entrée, un orifice d'échappement et un orifice de pression, l'élément de butée étant disposé entre les orifices d'entrée et d'échappement et séparant ces orifices de façon étanche, les divers orifices étant agencés de manière à venir successivement en regard de la chambre volumétrique, et au moins deux des orifices pouvant être fermés en synchronisme avec la rotation du rotor. 2.- Machine tournante à débit volumétrique, comprenant une enveloppe, un rotor présentant une surface obturante qui vient s'appliquer de façon étanche contre l'enveloppe et qui présente au moins une gouge disposée autour de l'axe du rotor, au moins une roue à butées montée à rotation dans l'enveloppe autour d'un axe qui est perpendiculaire à l'axe du rotor et portant une série de butées circonférentiellement espacées et destinées à s' engager successivement dans la gorge lorsque le rotor et la roue tournent autour de leurs axes respectifs, caractérisée en ce que la gorge présente des extrémités espacées qui se terminent sur la surface obturante du rotor, une chambre volumétrique étant délimitée entre l'enveloppe, la gorge du rotor et une butée engagée dans la gorge, et un orifice d'entrée ainsi qu'un orifice d'échappement étant prévus de part et d'autre de la butée, un orifice de pression étant également prévu pour admettre un fluide-moteur sous pression dans ladite chambre. 7.- Machine selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'orifice de pression, ou l'orifice d'entrée, ou les deux sont réglables en position par rapport au rotor. 4.- Machine selon l'une quelconque des revendu cations 1 à 3, caractérisée en ce qu'un autre élément de butée est installé à côté de l'orifice de pression. 5.- Machine selon l'une ou l'autre des reven dications 3 et 4, caractérisée en ce que l'enveloppe comprend une chambre de compression et de détente en communication avdc l'orifice de pression. 6.- i'achine selon la revendication 5, caractérisée en ce que des moyens de chauffage apportent un surcroît de chaleur au fluide-moteur allant de ladite chambre de compression et de détente vers l'orifice de pression. 7.- Procédé de fonctionnement d'une machine selon la revendication 5, travaillant en pompe ou en moteur, caractérisé en ce qu'il consiste à recycler, à travers le dispositif de pression, au moins une partie du fluide-moteur provenant de la chambre de compression et de détente vers la chambre volumétrique. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour régler le taux de recyclage du fluide-moteur, on règle la position de l'orifice de pression par rapport au rotor, de sorte qu'on règle la durée au cours de laquelle l'orifice de pression est ouvert à la gorge.