Brevet FR2108859A1 — publié le 19720526

La présente invention est relative à des perfectionnements apportés aux générateurs d'énergie électrique alternative notamment du genre motoalternateurs, comprenant au moins un alternateur linéaire à réluctance variable principalement constitué d'un circuit inducteur dans l'entrefer duquel se déplace avec un mouvement rectiligne alternatif une palette de matériau magnétique créant une variation de flux qui engendre un courant induit dans un bobinage approprié, et au moins une machine à vapeur à piston libre communiquant à la palette magnétique le déplacement nécessaire. L'invention concerne plus particulièrement parmi les dispositifs du genre précité, ceux ou la conversion d'énergie correspond à une puissance relativement réduite, de l'ordre de quelques centaines de watts à quelques kilowatts, le cycle de la vapeur dans la machine étant un cycle de Rankine ou de Joule en circuit fermé, et dans lesquels l'agencement des parties fixes et mobiles est réalisé de telle sorte qu'interviennent seulement des efforts dirigés selon l'axe du déplacement de la palette magnétique, sans contacts mécaniques, ce qui permet d'éviter tout graissage risquant de polluer la vapeur en circulation. De façon plus précise encore, l'invention concerne des perfectionnements apportés aux génératrices électriques de ce type telles que décrites et revendiquéP.s dans les demandes de brevet nO EN 6940995 et EN 6940996 déposées le 27 novembre 1969 au nom du Commissariat à l'énergie Atomique, respectivement pour Générateur d'énergie électrique alternative" et "Conver- tisseur de chaleur en énergie électrique. Dans la demande da brevet n0 EN 6940995 notamment, on a décrit un générateur électrique comprenant au moins un alternateur linéaire associé à une machine à vapeur comportant deux cylindres identiques disposés de part et d'autre de l'alternateur dans l'axe du mouvement à communiquer à la palette magné- tique et munie chacune d'un orifice d'échapp ement de la vapeur relié à une source froide, deux pistons moteurs solidarisés par une tige de cette palette et coulissant dans les cylindres, deux boîtes d'admission accolées aux extrémités des cylindres et comportant chacune un orifice d'admission de la vapeur en provenance d'une source chaude, deux soupapes d'admission mon tées dans les botes et assurant la communication de celles-ci avec les cylindres et enfin deux systèmes élastiques à mouvements linéaires axiaux, effectuant notamment la commande cadencée des soupapes d'admission en relation avec les mouvements alternatifs des pistons. En particulier, chaque système élastique comporte ure tige axiale solidaire de la soupape correspondante, coulissant dans un second cylindre porté par la boîte d'admission et dont la position est réglable de manière à réaliser un ressort à effort controlé agissant sur la soupape dans le sens qui l'applique sur son siège ménagé dans une paroi transversale de séparation enLre le fond du cylindre et la boîte d'admission correspondante. Si les dispositions précédentes conduisent alors à la réalisation effective d'un motoalternateur répondant parfaitement aux conditions imposées (cycle de la vapeur en circulation fermée, mouvements uniquement axiaux, absence de graissage et non pollution de la vapeur, puissance relativement faible, source de chaleur sous forme éventuellement condensée...), elles exigent des réglages très délicats, d'une part pour l'obtention d'un ensemble stable exempt de vibrations et d'autre part pour ajuster convenablement l'amplitude des débattements des pistons libres, c'est-à-dire pour régler correctement l'admission et l'échappement de la vapeur afin d'éviter que ces pistons ne viennent buter contre les sièges des soupapes dans la paroi de séparation de chaque cylindre si l'énergie cinétique des pistons est trop grande, ou bien ne puissent soulever ces soupapes pour i'admission de la vapeur à chaque nouveau cycle de fonctionnement si l'énergie est trop faible. A cet effet, l'invention, relative à une génératrice électrique du genre général exposé ci-dessus, se caractérise en ce que le diamètre efficace de chaque soupape en contact avec son siège dans i boîte d'admission, présente une valeur égale ou supérieure au diamètre du piston dans son cylindre. Avantageusement, chaque soupape d'admission comporte une forme extérieure sensiblement hémisphérique, présentant la plus grande résistance pour la plus faible masse, chaque piston comportant également dans sa face dirigée vers la soupape un profil hémisphérique. Selon une autre caractéristique, la soupape d'admission est réalisée en deux parties, emboîtées axialement et coulissant relativement l'une par rapport à l'autre en emprisonnant un volume de fluide comprimé, ce volume étant réglable par action sur une des parties de la soupape comprenant une tige filetée coopérant avec un écrous porté par la boîte d'admission dans laquelle est montée la soupape. Un soufflet d'étanchéité entoure avantageusement la tige filetée et est relié 8'une part à la soupape et d'autre part, à la boîte d'admission. D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la Fig. l est une vue schématique er ope axiale d'un motoalternateur muni des perfectionnements selon l'in;en- tion, --la Fig. 2 est une vue de détail à plus grande échelle, illustrant notamment le profil d'ure soupape d'admission et du piston mobile correspondant. Sur la Fig. 1, on a représenté en I un alternateur linéaire d'un type classique et dont le détail de réalisation importe peu à l'invention. Cet appareil est placé à l'intérieur d'un carter étanche 2 et comprend des enroulements inducteurs et induits 3 ménageant entre eux un entrefer dans lequel se déplace une palette magnétique 4 rer.due solidaire par une tige 5 se prolongeant de chaque côté de cette palette de deux pistons libres 6a et 6b identiques et symétriques l'un de l'autre par rapport au centre de la palette, ces pistons constituant les organes moteurs d'une machine à vapeur à cycle fermé. Dans la suite de la description, on affectera de l'indice a tous les éléments de l'appareil associés au piston 6a et parallèlement de l'indice b tous les éléments homologues du piston 6b. Chacun des pistons 6 précédents se déplace dans un cylindre constitué d'une chemise 7 comportant un ensemble de lumières d'échappement 8 permettant à la vapeur de traverser la jupe pour être recueillie dans un collecteur 9 avant é.a- cation par une conduite de sortie 10. A son extrémité opposée au collecteur 9, la chemise 7 est reliée à une boîte d'admission 11, comprenant notamment une portée conique 12 formant siège pour une soupape 13 dont le profil est avantageusement chosi sensiblement hémisphérique. Sur sa face opposée à celle dirigée vers le piston 6, la soupape 13 comprend une tige axiale 14, associée à un système de rappel élastique représenté dans l'exemple décrit par un simple ressort 15.La boîte d'admission 11 comporte par ailleurs un conduit 16 servant à l'introduction de la vapeur dar.s cette boîte puis lorsque la soupape 13 est soulevée de son siège 12, darus la chemise 7 de manière à agir par détente sur la face correspondante du piston 6 qui présente également un profil hémisphérique en creux 17. Le fonctionnement du motoalternateur linéaire schématiquement décrit et représenté en relation avec la Fig. 1 est dans son principe général exactement identique à celui qui a été explicité dans la demande de brevet antérieure n EN 6940995 du Commissariat à 1'énergie Atomique. Dans la position de départ, la soupape 13a par exemple, est soulevée de son siège 12a, le piston 6a débouchant partiellement dans la boîte d'admission lia pratiquement au contact de la soupape mais avec cependant un léger matelas de vapeur entre ces deux organes évitant en particulier les chocs du piston sur la soupape.En revanche, la soupape 13b est fermée, c'est-à-dire en application contre son siège 12b et est maintenue dans cette position par la différence de pression qui règne entre la boîte d'admission îîb d'une part, et l'intériur du cylindre constitué par la chemise 7b d'autre part, cette pression dans la jupe étant notablement inférieure à la pression dans la boîte en raison de l'échappe- ment de la vapeur autorisé par les lumières Sb vers le collecteur 9b. Sous effet de la pression d'admission règnant alors derrière la face 17a du piston 6a, celui-ci s'accélère en se déplaçant de la droite vers la gauche en provoquant le déplacement corrélatif de la palette magnétique 4 entre les enroulements 3 de l'alternateur linéaire 1. La soupape 13a suit à son tour le mouvement du piston 6a avec toutefois un certain retard réglé par le ressort 15a qui repousse cette soupape sur son siège 12a. Une certaine quantité de vapeur est ainsi introduite dans le cylindre délimité par la chemise 7a, entre la soupape 13a et la face correspondante 17a du piston 6a.Cette vapeur se détend en obligeant le piston 6a à poursuivre son mouvement de déplacement vers la gauche jusqu'à ce que le piston 6a ait à son tour dépassé les lumières 3a permettant à la vapeur précédente de s'échapper à travers ces dernières vers le collecteur 9a. Au cours de son déplacement, la palette magnétique 4a induit dans le bobinage de l' alternateur un courant alternatif qui peut être aisément recueilli aux bornes de sortie de ce bobinage. Grâce à la liaison rigide assurée par la tige 5, le déplacement du piston 6a correspond à un déplacement homologue du piston 6b dans la chemise 7b. La compression de la vapeur dans le cylindre délimité par la jupe 7b devient en fin de course suffisante pour provoquer le soulèvement de la soupape 3b, à l'instant notamment où le piston 6b pénètre à son tour dans la boîte d'admission îîb. Les pièces de la machine se trouvent dans ces conditions dans une position exactement symétrique de celle prise au départ, les pistons 6b et 6a repartant ensuite avec un mouvement inverse de la gauche vers la droite. Selon une disposition caractéristique de l'invention, les soupapes 13 du motoalternateur ci-dessus présentent un diamètre efficace c'est-à-dire un diamètre de contact avec leur siège 12 qui est au moins égal sinon supérieur au diamètre des chemises 7 constituant les cylindres des pistons 5. Cette disposition permet notamment à la vapeur reromprimée par le mouvement du piston qui s'approche de la soupape correspondante, d'atteindre exactement et sans aucune perte la valeur de la pression d'admission ou s'ouvre la soupape, tout espace mort dans le cylindre étant supprimé. Aucun choc n'est en outre à craindre entre la soupape et le piston, le réglage de l'admission c'est-à-dire du ressort 15 pouvant être effectué de- manière plus large et dans une gamme de pression beaucoup plus importante. Le démarrage du motoalternateur s'effectue de manière très simple, en envoyant une brève impulsion de puissance électrique sur l'alternateur linéaire l qui se comporte alors en moteur, l'énergie communiquée à l'ensemble mobile constitué par la palette magnétique 4 et les pistons 6 venant soulever d'une hauteur convenable l'une ou l'autre des deux soupapes 13. Avantageusement par ailleurs, pour éviter les vibrations dues aux mouvements rapides de l'ensemble mobile, il est utile de coupler en opposition deux motoalternateurs identiques dont les ensembles électriques sont agencés de façon à en assurer le fonctionnement en synchronisme. La Fig. 2 illustre à plus grande échelle un mode de réalisation pratique d'un détail de la Fig. 1, comprenant une des soupapes d'admission et le piston libre correspondant. Comme on le voit sur cette figure, la référence 20 désigne une chemise de cylindre réunie à sa partie supérieure à une pièce métallique 21 délimitant la paroi d'une chambre d'admission de vapeur dans 'ce cylindre. La chemise 20 et la pièce 21 sont emboîtées l'une dans l'autre et bloquées en position par l'intermédiaire de vis 22 et d'écrous--23. A l'intérieur de la chemise 20 est monté un piston mobile 24 se prolongeant dans cette chemise par une tige rigide 25 permettant de le solidariser d'une palette magnétique et d'un second piston identique au premier, ces deux derniers organes n'étant pas représentés sur la figure. Dans sa surface latérale en contact avec la chemise 20, le piston 24 est muni de deux segments d'étanchéité 26, maintenu par une entretoisa 27 et une bague de blocage 28. Fnfin, à travers la chemise 20 sont ménagés sous le piston 24 des orifices ou lumières 29, permettant l'échappement de la vapeur, ces lumières permettant notamment de faire communiquer la région interne 30 de la chemise 20 avec un collecteur 31 délimité par une pièce 32 traversée par un conduit de sortie 33. A sa partie supérieure, la chemise 20 comporte une portée conique 34 formant siège pour une soupape 35, cette dernière étant réalisée en deux parties, respectivement 36 et 37, aptes à coulisser légèrement l'une dans l'autre en emprisonnant entre elles un volume 38 du gaz moteur. Le partie mobile 36 de la soupape présente une forme hémisphérique de manière à assurer une résistance mécanique maximale pour une masse la plus faible possible. La partie 36 vient en appui contre le siège 34 en position de fermeture de la soupape, tandis que la partie 37 comporte, afin d'assurer son déplacement par rapport à la première partie, une tête 39 prolongée par une tige 40.Celle-ci est à son extrémité 41 convenablement filetée, de façon à coopérer avec un écrou 42 comportant à sa partie supérieure une rainure 42a permettant à un outil de commande approprié (non représenté) de provoquer la rotation de cet écrou. Celui-ci est immobilisé en translation par rapport à la pièce 21 délimitant la chambre d'admission de la vapeur, au moyen d'un ca- peau 43 présentant un épaulement transversal 44 venant stenga- ger dans un évidement correspondant de l'écrou 4.2, le chapeau 43 étant bloqué sur la pièce 21 par des sis de fixation 4=. La tige 40 prolongeant la tête 39 de la soupape 35 est entourée par un soufflet d'étanchéité 46, rendu solidaire d'une part de la tête 39, d'autre part d'une bague 47, immobilisée par un cordon de soudure 48 sur la pièce 21. Cette bague 47 supportant une goupille transversale 49 engagée dans une rainure 50 de la tige 40. Ces dispositions permettent dès lors de transformer le mouvement de rotation de l'écrou 42 en un mouvement de déplacement axial pour la tige 40, grâce à sa partie filetée 41 en prise avec l'écrou, ce déplacement augmentant ou diminuant selon le sens le volume 38 de gaz comprimé, en constituant un ressort fluide à efficacité variable agissant en permanence sur la soupape pour l'appliquer sur son siège 34. Enfin, un conduit 51 permet d'admettre dans la chambre d'admission délimitée par ia pièce 21 la vapeur nécessaire au fonctionnement du motoalternateur, qui dans son processus est exactement identique à celui qui a été décrit en relation avec le schéma général de la Fig. 1. Seuls ot été modifiés les systèmes élastiques de rappel des soupapes, les ressorts étant remplacés dans la variante de la Fig. 2 par le dispositif à compression gazeuse réglable, constitué par le plume variable 38 compris entre les deux parties coulissantes de chacune des soupapes. Quelle que soit la solution pratique envisagée, le dispositif selon l'invention permet d'assurer au motoaltarna- teur un fonctionnement particulièrement stable, dans une zone de régimes très large puisqu'aucn réglage n'est plus nécessaire en dehors de celui des ressorts fluides associés aux soupapes. Notamment, si l'énergie cinétique de pistons mobiles est trop grande, aucun risque n'est à craindre de chocs de ces pistons contre une partie quelconque de l'appareil; les pistons pénètreront seulement plus o moins à l'intérieur des chambres d'admission, en ayant préalablement soulevé les soupapes correspondantes. Dans tous les cas, les soupapes ne s'ouvriront que lorsque la pression de vapeur dans le cylindre dans la phase de recompression correspondra sensiblement à la pression d'admission de l'autre côté de la soupape, l'effort dû aux systèmes élastiques de rappel des soupapes étant de toute manière très notablement inférieur aux valeurs des pressions précédentes. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas aux seuls exemples plus spécialement décrits et représentés ci-dessus ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier, le fonctionnement du motoalternateur pourra être exploité pour monter directement sur la tige solidarisant les deux pistons de part et d'autre de l'alterna- teur linéaire, une pompe double à clapets ou un compresseur permettant selon le cas de décrire avec un seul appareil dynamique un cycle de Rankine ou Ln cycle de Joule, respectivement par le travail d'une vapeur ou d'un gaz. REVENDICATIONS 1D). Perfectionnements aux motoalternateurs linéaires à pistons libres, comportant au moins un cylindre, un piston mobile dans ce cylindre, une boîte d'admission de vapeur dans le cylindre et une soupape d'admission placée dans la chambre selon l'axe du cylindre, caractérisés en ce que le diamètre efficace de la soupape en contact avec son siège dans la boîte d'admission, présente une valeur égale ou supérieure au diamètre du piston dans son cylindre. 20) Perfectionnements aux motoalternateurs selon la revendication 1, caractérisés en ce que la soupape d'admission comporte une forme extérieure sensiblement hémisphérique, présentant la plus grande résistance pour la plus faible masse, le piston comportant également dans sa face dirigée vers la soupape un profil hémisphérique. 30) Perfectionnements aux motoalternateurs selon la revendication 1, caractérisés en ce que la soupape d'admission est réalisée en deux parties, emboîtées axialement et coulissant relativement l'une par rapport à l'autre en emprisonnant un volume de fluide comprimé, ce volume étant réglable par action sur une des parties de la soupape comprenant une tige filetée coopérant avec un écrou port par la boite d'admission dans laquelle est montée la soupape. 40) Perfectionnements aux motoalternateurs selon la revendication 3, caractérisés en ce qu'un soufflet d'étanchéité entoure la tige filetée et est relié d'une part à la soupape et d'autre part à la boîte d'admission.