Brevet FR2266799A1 — publié le 19751031

La présente invention concerne un procédé pour un fonctionnement sans conbustion d'une machine drentraî- nement productrice énergie mécanique, notamment une turbine > avec une chambre de pression produisant directement le couple de rotation, au moyen d'un gaz liquéfie, notamment de l'air liquide. On connaît déJà (brevet Us 2 499 772) procédé et ime turbine dans ce genre de turbine qui est constitue comme une turbine à roue à aubes à plusieurs étages. Elle présente l'avantage important de n'expulser aucun gaz d'échappement nocif et de ne nécessiter aucun carburant, tel que huile, essence ou gaz pour la combustion. En outre, une telle turbine a l'avantage de-pouvoir fonctionner à de basses températures, de sorte que sa durée de vie est tres grande.En fait, la turbine repose sur ce que, par évaporation de l'air liquide, se produit une expansion productrice de pression produisant énergie necessaire au cours de la phase dans laquelle l'air passe de l'état liquide à l'état gazeux. La turbine connue présente cependant le grave inconvenient-d'être de treks grandes dimensions et, en conséquence, d'exiger une dépense importante. Elle ne convient donc pas pour etre montée dans de petits véhicules. En outre, son rendement est très faible. Cela est dû notamment à ce que, sur l'arbre de turbine, est monté en outre un ventilateur qui produit de l'air chaud destiné à être insufflé, en commun avec l'air liquide, dans une buse de Venturi.L'injection et l'-insufflation de l'air liquide et de l'air réchauffé s'effectuent en continu sous forme de gaz, de sorte qu'il est nécessaire que l'air réchauffé ait une pression supérieure à la pression d'expansion de l'air liquide, sinon il se produirait un retour de la-pression d'expansion dans la conduite d'air réchauffé. Il est également connu (brevet OE 104 633) d'effectuer par voie électrique le réchauffage de l'air atmosphérique nécessaire pour la gazéification de l'air liquide. De tels dispositifs pour la gazéification d'air liquide ont été utilisés pour le fonctionnement de machines à air comprimé dans lesquelles ce dispositif de gazéification est connecté avant la machine proprement dite. Enfin, on connaît des turbines à réaction constituées comme moteurs å combustion de carburant, dans lesquelles on utilise, pour l'entraînement d'un rotor, exclusivement la pression de réaction du courant de gaz s'écoulant à l'air libre,à partir d'une chambre de combustion, à travers une buse de réaction. L'introduction du mélange de carburant et d'air a lieu, dans ce cas, exclusivement à travers un arbre creux. Autour de l'axe du rotor sont disposées (brevet US 966 633) au moins deux chambres de combustion de ce genre, avec des buses de pression dirigées tangentillcment vers l'air libre.Le rendement de tu;tUines à raction de ce genre est également faible, parc 'rae le courant de çaz d'échappement hors des buses de réaction est dirigez cirectement vers l'atmosphère. En conséquence, de tulles turbine n'out eu pratiquement aucune application réelle. Il est connu enfin, dans le domaine es moteurs à combustion, d'injecter un carburant, tel que huile ou essence, dans la chambre de combustion de moteurs Diesel ou Otto. Alais ces carburants ne sont disponibles qu'en quantité limitée et produisent une pollution de l'atmosphère. L'invention a pour but d'améliorer le procédé et la turbine du type antérieur décrit, de telle manière que le rendement soit considérablement augmenté, et de sorte que la machine ait égalenent un encombrement plus réduit. Dans ce but, le procédé de l'invention est caractérisé en ce que le gaz liquéfié est injecté, par petites quantités, périodiquement, directement dans la chambre de pression qui produit le couple de rotation. L'invention peut être appliquée dans les moteurs connus Diesels Otto ou Wankel, ainsi que dans des machines et moteurs à vapeur. Cependant cela ne signifie pas que le moteur d'entraînement mentionné fonctionnant à la vapeur puisse fonctionner également, conformémerlt à l'invention. Par contre, l'invention propose que, au lieu de vapeur, on utilise de l'air liquide qui est injecté, notamment en petites quantités, périodiquement, dans le cylindre de travail ou dans une chambre antérieure qui communique avec le cylindre. Si cette chambre de pression présente la grandeur et la fcrne nécessaires et que, d'autre part, le moteur d'entraînement convienne pour un fonctionnement avec de l'air liquide, il est à la portée de l'utilisateur d'employer de l'air liquide pour 1'entraînement de ce moteur. En effet, on a constaté que le risque de givrage lors de l'entrée de l'air liquide dans la chambre de compression n'était pas à craindre. L'expérience a montré que l'air atmosphérique qui entoure la chambre de pression était absolument suffisant pour compenser les différences de températures. Suivant une autre réalisation de l'invention, il est prévu d'injecter, en suppl & ent, un gaz à l'état gazeux, notamment de l'air ou de la vapeur, dans lå chambre de pression dans ses périodes à faible pression. Il peut s'agir pour cela d'air qui n'a pas besoin d'être échauffé. L'invention s'étend à une installation pour l'application du procédé ci-dessus, constituée par une turbine, du type à réaction, pourvue d' un rotor, dont la chambre de pression enroulée en hélice autour de l'axe se termine dans une buse à réaction, turbine caractérisée en ce que la chambre de pression comporte une soupape d'injection pour le gaz liquéfié et une soupape d'admission au voisinage de l'arbre creux, une couronne dentée étant prévue à l'intérieur du carter au voisinage de la buse à réaction, couronne sur laquelle agit la buse à réaction. L'iwportant ici reside dans la couronne dentée, sur laquelle agit la buse à réaction parce que, de cette manière, le rendement est considérablement augmenté par rapport à l'expulsion à l'air libre. - Grâce à la constitution mentionnée de la chambre de pression, celle-ci peut être réalisée, avec de faibles dimensions, suffisamment grande pour que la gazéification du gaz liquéfié soit possible à l'intérieur de celle-ci. Gr çe à l'invention, on dispose ainsi d'une turbine à réaction'à fonctionneient périodique par laquelle, à chaque instant, une quantité absolument déterminée du gaz liquéfié, à savoir la quantité injectée, est convertie sous la forme gazeuse. A travers l'arbre creux, l'amenée du fluide formateur de gaz a lieu également périodiquement, à travers une soupape anti-retour, chaque fois qu'une pression déterminée dans la chambre de pression est dépassée vers le bas. Dans ce but, il est prévu que la soupape dtadmission, pour le fluide producteur de gaz ou la vapeur, est constituée comme une soupape anti-retour, qui s'ouvre des le dépassement vers le bas d'une pression déterminée dans la chambre. Par rapport à une turbine à roue à aubes, la turbine à réaction est de construction aussi simple que possible, car il n1 est pas nécessaire de maintenir des tolérances étroites pour les éléments. L'instant de l'injection est déterminé à l'aide de moyens électriques connus. La description se rapporte à un exemple de réalisation avec référence aux dessins, dans lesquels - La figure X est une vue latérale, partiellement en coupe, de la turbine; - La figure 2 est une vue en coupe de la turbine de la figure 1, perpendiculairement à l'axe d'entraî- nement; - La figure 3 est une vue latérale schématique du rotor; - La figure 4 est une vue en coupe par A-B de la figure 5, dans une forme pratique de réalisation; - La figure 5::est une 'vue frontale, partie en coupe, de 1 tome pntique de réalisation, - La figure 6 est une vue latérale du rotor; - La figure 7 est une vue en coupe en direction de l'axe à travers le rotor de la figure 6; - La figure 8 est une vue en coupe par A-B de la figure 6; - La figure 9 est une vue en coupe par D-F de la figure 6; - La figure 10 est une vue en coupe par C-D de la figure 6; - La figure 11 est une vue frontale de la roue de turbine de la figure 4; - La figure 12 est une vue en coupe à travers la roue de volant de la figure 11. La figure 1 montre, dans le carter 8, deux rotors 1 de chaque côté de la roue de turbine à aubes 10, disposée au milieu, ces rotors étant calés sur l'arbre creux 6 ainsi que la roue. Une large couronne dentée 9 est montée au centre du carter sur laquelle agissent les buses de réaction des rotors 1, ainsi qu'il sera expliqué dans la suite. Sur le carter 8, au-dessus de la roue à aubes 10 de turbine de démarrage, est prévale la chanbre d'entrée 11 et, sur le carter, au-dessous et sur le côté, la sortie 12. La pompe d'injection 13 est entraînée par une denture par l'arbre principal 6 et elle est bridée sur le carter 8.La soupape d'obturation 14 pour la chambre d'entrée 11, le réservoir à fluide de fonctionnement 15, la batterie 16 et le générateur de courant 17 sont connus en soi et ne sont indiqués que schématiquement. En figure 2, on voit l'un des rotors 1, dans le carter 8, à l'intérieur duquel s'étend un espace vide autour de l'axe, qui constitue la chambre de compression 2. Celle-ci se termine d'un côté dans une buse de réaction 3, et l'autre extrémité forme une chambre fermée élargie avec une entrée 4, décalée en sens inverse des aiguilles d'une montre par rapport au milieu de l'axe. La soupape d'admission 5, qui est constituée comme une soupape réductrice de pression, est disposée dans le moyeu. Le canal d'injection 7 (figure l) est aligné exactement sur la soupape d'admission 5. En outre, le dispositif d'injection 7a est aligné exactement sur la soupape d'injection Sa. L'injection, ctest-a-dire l'introduction de vapeur et d'air comprimé, ne peut ainsi, dans les deux cas, se produire que si les positions correspondantes sont atteintes. Ceci est obtenu au moyen d'un dispositif électronique dtin- jection 7a. La soupape 5 dans le moyeu s'ouvre, par contre, automatiquement dans la position de rotation correspondante, lorsque la pression dans la chanbre 2-stest abaissée de la valeur prévue. La figure 3 montre que la buse de réaction 3 est disposée suivant un angle i par rapport à l'axe de rotation 19, de sorte que la sortie de l'air, dans ce cas, s'effectue vers la gauche contre la couronne dentée fixe 9. La figure 4 montre une forme de réalisation pratique, dans laquelle l'arbre 6 est supportée en deux endroits dans des paliers à billes 20 et 21. Les chambres de pression 2 des rotors 1 présentent, en-dessus et en-dessous de l'arbre 6, une largeur fortement différente. La chambre est enroulée en hélice autour de l'axe, de sorte que la buse 3, non représentée ici, montre une sortie dirigée vers l'intérieur, comme déjà nontré en figure 3. La constitution des deux rotors 1 est absolument identique. Les deux moitiés du carter 8 sont également absolument identiques. La figure 5 montre la constitution de la couronne dentée 9, qui est une couronne à denture intérieure. On voit également l'entrée 22 de la chambre d'admission 11, qui est dirigée en formant un angle avec les aubes de la roue de turbine 10. La figure 5 montre également, en bas, la sortie 12. Les figures 6 à 10 représentent une forme de réalisation pratique du rotor 1. On voit que la plus grande partie de l'enceinte intérIeure est utilisée pour la chambre de pression. Dans le filetage 23, est vissée la soupape Sa mentionnée plus haut, tandis qu'une autre soupape est montée dans un orifice 24 dans le moyeu du rotor 1. Elle est, en direction radiale, exactenent en face du filetage 23 (figure 8). cette disposition est spécialement favorable, alin que l'air injecté vienne immédiatement en contact avec la vapeur ou l'air sous forme gazeuse En outre, la disposition des deux entrées au voisinage de la paroi arrière 25, suivant la figure 6, est préférable. Les figures 7 et 9 montrent la largeur différente de la chambre de pression 2 mentionnée plus haut. Il en résulte que la chambre de pression est de plus en plus étroite en direction de la sortie de la buse 3. Cette caractéristique est d'importance particulière car, de cette manière, la chambre de pression 2 se raccorde progressivement à la buse 3. La roue à aubes 10, suivant les figures Il et 12, est constituée comme une roue à aubes, rotative, radiale, avec les aubes 26, qui sont recouvertes par une plaque 27 (voir figure 4). La roue 10 est constituée par une pièce de fonderie. Lue sert ici uniquement de turbine de démarrage. Pour mettre la machine en marche, on ouvre la soupape obturatrice 14, de sorte que le fluide de fonctionnement parvient, du réservoir 15, dans la chambre d'admission il. Grâce à la construction spéciale de la chambre 11, l'air qui était jusqu'à maintenant liquide, ou tout autre fluide de propriété identique, est gazéifié et charge, sous forme d'air fortement comprimé, la roue à aube 109 de sorte que la machine démarre. Par ce processus de mise en marche, une pompe de compression, non représentée, envoie de l'air atmosphérique, à travers l'arbre creux 6, dans les chambres de pression 2 des rotors I. Après introduction de la commande électrique, qui a lieu simultanément, le dispositif d'injection 7a commandé électroniquement injecte dans la chambre de pression pré-comprimée, à travers la soupape d'injection 5a, une quantité exactement dosée d'air liquide. Dans la chambre de pression 2 du rotor, le fluide d'entraînement liquide se détend alors en raison de la différence de températures, avec une pression croissante. Il s'échappe en partie à travers labuse de réaction 3 et frappe alors les nervures de la couronne dentée 9. La machine reste maintenant en rotation par les énergies libérées hors des rotors 1. La soupape obturatrice 14 vers la chambre de démarrage est fermée, car la couronne à aubes 10 a rempli son rôle d'entrainement, et elle a maintenant uniquement pour rôle de diriger à l'air libre, à travers la sortie 12, l'air détendu qui sort des rotors. Dans les rotors 1, la pression d'expansion croit encore davantage en raison des différences de températures toujours croissantes. En raison du rétrécissement mentionné en direction de la -buse, le choc de réaction dynamique agit su-r vautre extrémité 25 de la chambre de pression 2, à savoir dans la pré-chambre 4, de sorte que l'entraînement est produit alors exclusivement par les chambres de pression. C'est seulement après upe chute importante de la pression 'd'expansion dans les chambres 2, après que l'air détendu a été évacué à travers la roue à aubes 10, que le dispositif électronique commence à agir à nouveau. Ce déroulement de fonctionnement de la machine peut être considéré comme une période de travail. La soupape d'admission 5 est fermée par un côté en dépendance de la pression et ellè ne ouvre que dans le cas d'un abaissement déterminé de la pression dans le rotor. Les deux rotors 1 sont montés sur l'arbre d'entraînement 6, en étant décalés entre eux de 180 dans le sens de la rotation. Naturellement > il peut etre prévu davantage de rotors, qui sont décalés entre eux de manière appropriée. L'invention n'est pas limitée à ltexemple représenté. Par exemple, la sortie peut s'effectuer également à travers une turbine axiale. L'exemple représenté est constitué comme modèle. Pour une quantité injectée d'air liquide dans les rotors d'environ 4 cm3 par période, on a obtenu, avec une rotation de 8 000 tours par minute, une puissance de 50 C. La capacité des chambres de pression 2 était alors de 60 cm3 par rotor. La marche de la turbine était pratiquement sans bruit, exempte de vibrations, et régulière. La combinaison du procédé de l'invention avec un moteur à combustion, connu, revêt une importance particulière. Le fonctionnement au gaz de tels moteurs à combustion, avec du méthanol, de l'hydrogène ou analogues, est déjà connu. Mais il présente l'inconvénient important que seules des quantités limitées de ces fluides moteurs peuvent être transportées dans des bouteilles à gaz, notamment dans le cas de voitures Zutomobiles particulières. Pour résoudre ce problème, l'invention propose d'emporter dans l'automobile du gaz sous forme liquide, qui est ensuite gazéifié par le procédé de l'invention. On obtient ainsi l'avantage important que l'énergie nécessaire pour mettre le gaz sous forme liquide peut être ensuite récupérée, en partie, sous forme d'énergie mécanique. En cons Z uence, il est prévu dans ce cas, conformément à l'invention, que, lors de l'emploi d'un gaz liquéfié combustible, ce dernier est amené, en application du procédé de l'invention, sous forme gazeuse à un moteur à combustion. Pour cela, la turbine conforme à l'invention peut à nouveau trouver son emploi, et il est particulièrement avantageux que le rotor soit monté sur l'arbre d'entraînement du moteur. Dans ce cas, on n'introduit pas d'air à travers 1'arbre creux 6, bien que cela ne soit pas exclu pour la réalisation d'un mélange de gaz et d'air. I1 est plus avantageux que l'arbre creux 6 soit en liaison avec l'échap- pement 12, auquel cas un ventilateur peut encore être prévu entre l'arbre creux et l'échappement 12, de telle sorte qu'une partie du gaz de combustion à l'état gazeux puisse être ramené à travers l'arbre creux 6 dans la chambre de pression 2, en vue de réaliser un meilleur tourbillonnement du gaz carburant avant son utilisation dans le moteur.Ceci est également judicieux lorsque le moteur à combustion ne nécessite pas la quantité de gaz produite à la sortie 12. Dans ce cas, la chambre de démarrage 11 et également la couronne à aubes de la turbine de démarrage 10 sont supprimées, lorsque le moteur à combustion est mis en marche au moyen d'un démarreur électrique connu. Pour une simplification, dans beaucoup de cas, l'emploi d'un seul rotor peut etre suffisant. En outre, il peut être prévu que la chaleur délivrée par le moteur à combustion soit utilisée au moyen d'un échangeur de chaleur ou dans une conduite de chaleur, en vue d'échauffer la chambre de démarrage il, et/ou le rotor, et/ou le courant de gaz qui s'écoule à travers 17 arbre creux 7. De cette manière, en effet, le givrage de l'air peut être complètement empêché sans nécessiter d'énergie supplémentaire, par exemple, par un chauffage par de l'énergie électrique. Pour cela, dans la majorité des cas, il est suffisant que le moteur à combustion et la turbine conforme à l'invention soient disposés dans une enveloppe commune, ou encore que leurs enveloppes soient boulonnées l'une avec l'autre, de telle sorte que soit assuré le passage direct de la chaleur du carter du moteur à explosion vers l'enveloppe de la turbine. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 ) Procédé pour un fonctionnement sans combustion d'une machine d'entraînement productrice d'énergie mécanique, notamment une turbine, avec une chambre de pression produisant directement le couple de rotation, au moyen d'un gaz liquéfié, notamment de l'air liquide, procédé caractérisé en ce que le gaz liquéfié est injecté périodiquement, par petites quantités, directement dans la chambre de pression productrice de couple de rotation. 20) Procédé, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, en supplément, un gaz à l'état gazeux, notamment de l'air ou de la vapeur, est insufflé dans la chambre de pression au cours des périodes à pression réduite de celle-ci. 30) Turbine, pour l'application du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, qui présente, comme turbine à réaction, un rotor dont la chambre de pression enroulée en hélice autour de l'axe débouche dans une buse de réaction, cette chambre de pression étant pourvue d'une soupape d'injection pour le gaz liquéfié et d'une soupape d'admission au voisinage de l'arbre creux, turbine caractérisée en ce que, au voisinage de la buse de réaction (3), à l'intérieur du carter (8), est prévue une couronne dentée (9) sur laquelle agit la buse de réaction. 40) Turbine, suivant la revendication 3, caractérisée en ce que, dans le domaine de la couronne dentée (9), est prévue une couronne de turbine de démarrage (10), montée sur l'arbre (6), qui est en liaison avec une chambre de démarrage (11). 50) Turbine, suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la chambre de pression (2) est constituée de telle manière que la buse de réaction (3) soit disposée en formant un angle (d) avec son axe de rotation (19). 60) Turbine, suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la soupape d'admission (5), pour le fluide en forme de gaz ou la vapeur, est constituée comme une soupape anti-retour, qui s'ouvre lorsqu'une pression déterminée dans la chambre de pression (2) est dépassée vers le bas. 70) Procédé, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'un gaz combustible liquide, celui-ci est amené à un moteur à combustion à ltétat gazeux en application du procédé suivant les revendications 1 ou 2. 80) Turbine utilisée suivant le procédé de la revendication 7, caractérisée en ce que le rotor -(1) est calé sur l'arbre d'entraînement du moteur à combustion. 90) Turbine, suivant la revendication 8, caractérisée en ce que l'arbre creux (6) est en liaison avec l'échappement (12). 100) Turbine, suivant la revendication 9, caractérisée en ce que, entre l'échappement (12) et l'arbre creux (6), est disposé un ventilateur. 110) Turbine pour l'application du procédé suivant la revendication 7, caractérisée en ce que la chaleur évacuée par le moteur à combustion est utilisée, au moyen dlun échangeur de chaleur ou d'une canalisation de chaleur, pour échauffer la chambre de démarrage (11) ou le rotor (1) ou le courant de gaz qui s'écoule à travers 1'arbre creux.