Brevet FR2459875A1 — publié le 19810116

La présente invention concerne les machines à pistons libres multi-tandem, comportant plusieurs couples de cylindres moteurs parallèles, chaque cylindre contenant deux pistons moteurs libres opposés, solidaires de pistons compresseurs. L'invention a plus particulièrement pour objet une machine multi-tandem à pistons libres comprenant un bâti, un équipage mobile interne comprenant une traverse centrale trans- versale à un axe du bâti, guidé.en translation de façon à pouvoir se déplacer d'un mouvement alternatif le long dudit axe, portant, de chaque côté, quatre pistons moteurs internes déplaçables le long des cylindres moteurs disposés aux sommets d'un rectangle et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres com- presseurs internes dont les axes passent hors dudit rectangle, un équipage mobile externe comprenant deux traverses externes reliées par au moins un tirant, portant chacune quatre pistons moteurs externes déplaçables dans quatre desdits cylindres moteurs et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres com- presseurs externes, et des moyens de synchronisation du mouvement alternatif des deux équipages. Dans les machines connues du genre ci-dessus défini, l'un des problèmes qui se présentent lorsqu'on cherche à attein- dre des puissances très élevées est constitué par la différence de masse intrinsèque entre les équipages mobiles interne et externe, qu'il est nécessaire de compenser par adjonction de masses qui provoquent des efforts importants sur les moyens de synchronisation; un autre problème est constitué par les dimen- sions et la masse qu'atteignent les traverses, qui doivent transmettre des efforts importants et alternés entre pistons compresseurs et pistons moteurs. La présente invention vise notamment à réduire la masse de chacun des équipages, en agissant notamment sur celle des traverses qui en constitue un élément important, et à équilibrer le plus possible ces masses de façon intrinsèque. Dans ce but, l'invention propose notamment une machine dans laquelle les axes des cylindres compresseurs internes passent par le prolongement de la petite médiane dudit rectangle tandis que les axes des compresseurs extérieurs, disposés hors dudit rectangle, passent par le prolongement de la grande médiane de ce dernier. L'invention vise également à fournir une machine multi-. tandem dont le bâti présente une rigidité très élevée, assurant 2 2459875 un guidage satisfaisant des équipages tout en autorisant un démontage aisé des cylindres, et notamment des cylindres qui ont une dimension axiale importante. Dans ce but, l'invention propose une machine dans laquelle le bâti comprend un socle, un sommier supérieur et deux cadres reliant le socle et le sommier, disposés symétriquement par rapport à un plan médian du bâti et sur lesquels les cylindres compresseurs externes sont fixés par leur face tournée vers le plan médian, les faces opposées desdits cylindres compresseurs externes pouvant être reliées par des plaques. L'invention trouve une application particulièrement impor- tante dans les installations de production d'énergie comprenant une machine à pistons libres, une turbine à gaz qui reçoit les gaz d'échappement des cylindres moteurs et un compresseur qui fournit aux cylindres compresseurs de l'air à une pression supé- rieure à la pression atmosphérique, par l'intermédiaire d'un refroidisseur classique. Dans ce cas en effet, chaque cadre peut être conçu pour constituer, avec le socle, le sommier et un carter qu'il contient et qui délimite un espace contenant la traverse externe correspondante, un collecteur d'alimentation des cylindres compresseurs externes correspondants. Les traverses doivent être munies de moyens de guidage. Une première solution consiste à la munir de paliers glissant sur des tubes de guidage fixe. Toutefois, pour une installation de grande puissance, il est plus avantageux de constituer les moyens de guidage par un ou plusieurs tube(s) fixé(s) à la traverse et se déplaçant dans des paliers fixes dont la distance est égale à au moins quatre fois le diamètre du tube. Si cette solution augmente légèrement la masse des équipages mobiles, elle a en contrepartie l'intérêt d'éviter tout coussinet, garniture et arrivée d'huile mobile et de permettre de rendre les équipages mobiles sensiblement symétriques par rapport à l'axe longitudinal -de la machine. 3 2459875 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une machine multi-tandem qui en constitue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompa- gnent, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation de la partie gauche de la machine, - la figure 2 est un schéma de principe montrant la disposition des axes des cylindres moteurs et des cylindres compresseurs de la machine de la figure 1, vue en bout, - les figures 3, 4 et 5 sontdes vues en coupe suivant les lignes III-III, IV-IV et V-V de la figure 1. La machine montrée en figure 1 comporte un bâti, un équipage mobile interne et un équipage mobile externe, ainsi que des conduites fixes de circulation des gaz. Le bâti comporte un socle 10 et un sommier supérieur 11 sensiblement de même longueur, reliés par une structure monobloc interne 12 et deux cadres 13, symétriquement disposés par rapport au plan médian III. Cette constitution, complétée par des structures cruciformes 14, donne au bâti une très grande rigidité. Le bâti porte, par des moyens qui seront décrits plus loin, quatre cylindres moteurs, dont deux,15a et 15b, apparaissent sur la figure 1, de chaque côté du plan médian III. Les axes des quatre cylindres 15a, 15b, 15c et 15d sont disposés aux angles d'un rectangle 16 qui, dans le mode de réalisation illustré, est disposé avec son grand côté verticalement. Deux cylindres compresseurs internes à double effet 17a et 17b sont montés un de chaque côté de la structure monobloc centrale 12. Suivant l'invention, les axes de ces cylindres 17a et 17b intersectent la petite médiane 18 du rectangle 16. A chaque cadre 13 sont fixés deux cylindres compresseurs 18a et 18b également à double effet. Les axes des cylindres 18a et 18b intersectent la grande médiane 19 du rectangle 16, à l'extérieur de celui-ci. On ne décrira pas ici la structure des collecteurs placés autour des compresseurs et les clapets, étant donné qu'elle peut être l'une de celles déjà connues, par exemple celle décrite dans le brevet US 3 669 571. On décrira maintenant successivement la constitution de l'équipage mobile interne et celle de l'équipage mobile externe. L'équipage mobile interne comprend une traverse centrale 4 2459875 (figure 3) qui, du fait des efforts auxquels elle est soumise, sera généralement usinée dans une pièce forgée unique. La.tra- verse 20 est fixée sur un tube axial 21 de guidage, porté par des paliers (non représentés) écartés l'un de l'autre, d'une distance au moins égale à trois fois le diamètre du tube, et fixés au bâti. La traverse comporte deux bras opposés horizontaux fixés aux tiges 29 des pistons des cylindres compresseurs internes 17a et 17b. Deux excroissances de la traverse sont fixées aux tiges des pistons des cylindres moteurs internes 15a, 15b, 15c et l5d. La nécessité d'un graissage des pièces en déplacement relatif conduit à l'apparition d'un brouillard d'huile dans la zone proche de la traverse 20. Suivant l'invention, la structure monobloc centrale permet d'éviter des projections et des disper- sions importantes de lubrifiant. Pour cela, on constitue cette structure centrale par une cage 22, à l'intérieur de laquelle est placé un carter 23 enveloppant la traverse et de dimensions axiales suffisantes pour autoriser le débattement de celle-ci. Le carter 23 est évidemment muni de joints de passage des tiges 29 reliant la traverse aux pistons. Ce carter ou la cage peuvent porter les paliers du tube de guidage 21. Grâce à la grande rigidité de la cage 22, il est possible de fixer directement les compresseurs internes 17a et 17b sur la cage, ce qui permet d'avoir une symétrie de révolution des cir- cuits internes améliorés. L'équipage mobile externe présente une constitution symé- trique par rapport au plan médian III. Il comporte deux traverses externes 24 (figure 4) dont l'envergure peut être rendue très inférieure à celle de la traverse centrale 20, ce qui offre plu- sieurs avantages. D'une part, on tend à équilibrer les masses des équipages internes et externes de façon inhérente. D'autre part, les contraintes subies par les traverses externes sont sensible- ment diminuées, particulièrement au cours de la phase motrice, lorsque des efforts de signes opposés sont transmis par les tiges de pistons moteurs externes 25a, 25b, 25c, et 25d et les tirants 26a et 26b de liaison entre les traverses 24, placés au droit des tiges des pistons des cylindres compresseurs l8a, 18b. Cette dis- position des tirants leur permet de passer en dehors de la traverse centrale 20. Il est en conséquence possible de leur donner une constitution nrnobloc et d'autoriser un dénmntage relativeoent aisé de la traverse 20. Les traverses 24, comme la traverse 20, sont enfermées 2459875 dans un carter 27 muni de joints coulissants livrant passage aux tiges de pistons et aux tirants. Elles sont munies de tubes de guidage 28 coulissant dans des paliers non représentés. Ces paliers peuvent être portés par le carter 27 ou par une cage 30 qui l'entoure et renforce le cadre portant les compresseurs. La disposition de traversescentrale et externe qui vient d'être décrite présente des avantages importants par rapport à la disposition qui vient la première à l'esprit et qui consiste à aligner les compresseurs internes et externes. Cet avantage apparait si l'on se souvient que les axes des cylindres moteurs 15a à 15d doivent être disposés aux angles d'un rectangle pour concilier à la fois un rapprochement maximum et la nécessité d'accéder aux injecteurs, placés dans les anneaux médians descylindres moteurs. En adoptant la disposition montrée en figure 2, on réduit l'envergure des traverses externes, ce qui permet de réduire la masse de deux façons: d'une part, les dimensions en plan sont plus faibles; d'autre part, les moments des forces sont également réduits. On tend ainsi à équilibrer de façon inhérente la masse des équipages interne et externe. On obtient encore d'autres avantages: les tirants 26 reliant les traverses externes 24 peuvent encadrer la traverse centrale 20 au lieu de la traverser et ne font donc plus obstacle au démon- tage de cette dernière. Le montage des tirants est simplifié puisqu'on peut les engager latéralement aux extrémités de la traverse. Le coût des traverses externes est réduit du fait qu'elles sont usinées dans une pièce forgée de moindres dimensions en plan. Comme indiqué plus haut, il est nécessaire de prévoir un dispositif de synchronisation des mouvements des équipages. Du fait de la grande différence de rigidité entre les équipages mobiles (l'équipage interne étant monolithique tandis que l'équipage externe est en deux moitiés assemblées par des tirants dont la raideur est forcément faible), le dispositif de synchro- nisation est sollicité deux fois par cycle par un effort bref mais intense. Pour absorber cet effort, un accouplement élastique est prévu. Mais une élasticité excessive doit être évitée, car elle fait apparaître des problèmes de vibrations. Par ailleurs, il faut se souvenir que tout dispositif qui fait apparaître des efforts de basculement sur les systèmes de guidage se traduit 6 2459875 par des pertes mécaniques par frottements accrus. Dans le mode de réalisation illustré de la machine suivant l'invention, ces problèmes sont écartés grâce à un dis- positif de synchronisation double qui tend à éviter les dissymé- tries d'effort. Ce dispositif comprend deux roues dentées 31 (figures 4 et 5) placées dans le plan horizontal médian de la machine. Chaque roue 31 engrène deux crémaillères 32 et 33. Les crémail- lères 32 sont fixées à la traverse centrale 20 tandis que les crémaillères 33 sont fixées à une des traverses externes 24. Les deux roues 31 sont placées d'un même côté du plan vertical médian de la machine pour ne pas constituer avec les tirants 26 un système hyperstatique et elles sont montées sur des paliers présentant une élasticité permettant d'absorber les chocs. La fixation des différents cylindres est effectuée par des moyens qui limitent les porte-à-faux. Comme indiqué plus haut, les cylindres compresseurs externes 18a et 18b sont fixés par leur face interne, voisine de la traverse. Cette face est fixée, par des boulons qui peuvent également servir à retenir les plaques porte-clapet, sur le cadre correspondant 13. Ce cadre, dont la profondeur est voisine de l'épaisseur de la tra- verse 24, est lui-même fixé entre socle 10 et sommier 11. Il est réduit en son milieu par une structure cruciforme qui sera décrite plus loin. La rigidité de l'ensemble peut être accrue en reliant les fonds des cylindres 18a et 18b par une plaque 34 (figure 1). Il subsiste dans ce cas un porte-à-faux, mais les efforts correspondants sont négligeables comparés aux efforts dynamiques qui, eux, sont centrés par rapport à la fixation des compres- seurs. La fixation des cylindres compresseurs internes 17a et 17b pose un problème que l'on ne trouve pas dans le cas des cylindres compresseurs externes 18a et 18b. En effet, il faut que l'accès aux injecteurs des moteurs soit possible et qu'on puisse démonter les cylindres moteurs sans travaux préalables importantes et de préférence en bloc. Ce résultat est atteint grâce à la présence de la struc- ture monobloc interne 12. Les cylindres compresseurs 17a et 17b sont fixés par brides sur des parties latérales de la cage 22, prévue à cet effet en tôle de forte épaisseur (40 mm par exemple). 7 2459875 Grâce à cette disposition, les cylindres compresseurs peuvent avoir une véritable symétrie de révolution en ce qui concerne les circuits d'eau de réfrigération et l'enveloppe d'air comprimé qu'ils refoulent, ce qui est très favorable à la diminution des contraintes thermiques. Enfin, les cylindres moteurs 15a à 15d se placent chacun dans un des dièdres de la structure cruciforme 14. Ils peuvent être introduits par simple translation et rotation dans le plan horizontal. Ils sont ainsi introduits dans leur culotte de balayage, préalablement fixée à la structure monobloc. On pré- voira avantageusement, autour de l'enveloppe d'eau de l'anneau central de chaque cylindre moteur, un berceau facilitant la fixation. Les dispositions mécaniques qui viennent d'être décrites permettent d'arriver à des circuits de fluides particulièrement avantageux et permettant d'utiliser des cycles thermodynamiques complexes, favorables à un rendement élevé. On notera tout d'abord que la présence de carters 23 et 27 permet de recueillir l'huile de graissage des coussinets, donc de diminuer les pertes et la contamination par l'huile. L'huile est recueillie dans le fond des carters 23 et 27 et elle est évacuée par des purgeurs automatiques avant d'être remélangée aux excédents d'huile des cylindres moteurs. De telles sorties d'huile 35 et 36 apparaissent sur les figures 3 et 4. Cette circulation d'eau de refroidissement des pistons moteurs s'effectuera par l'intérieur des tiges de pistons et des conduites portées par les traverses. On voit apparaître sur la figure 3 les conduites 37 d'amenée d'eau traitée de refroidisse- ment des pistons et 38 de retour d'eau. On retrouve également, s ur la figure 4, des conduites d'amenée 40 et de retour 41 d'eau de refroidissement des pistons moteurs externes. La constitution qui vient d'être décrite se prête parfai- tement à la mise en oeuvre d'un double cycle avec suralimentation par turbo-soufflantes, par exemple suivant le schéma décrit dans la demande de brevet français no 78 22 168 pour "Installation de production d'énergie à générateur à pistons libres" du titulaire de la présente demande. Cette disposition utilise le fait que l'air comprimé directement dirigé vers la turbine à gaz de détente, additionné à l'air nécessaire pour l'entraine- ment d'une turbo-soufflante, peut constituer approximativement 8 2459875 la moitié du débit fourni par les compresseurs. Elle utilise également le fait que, pour augmenter le rendement, il est avan- tageux de produire cet air à la pression de marche des moteurs, ce qui permet de gagner, pour l'air directement admis dans la turbine de détente, la perte de charge moteur. On peut notamment utiliser une disposition comportant quatre compresseurs haute pression et quatre compresseurs basse pression. Ce résultat est atteint en conservant une répartition simple des collecteurs en regroupant les compresseurs de même type quatre par quatre à chaque extrémité de la machine: les compresseurs 17a, 17b, 18a, 18b, placés à gauche du plan médian, constituent un premier groupe, qu'on peut considérer comme étant à haute pression; les quatre compresseurs situés de l'autre côté peuvent être considérés comme à moyenne pression. Tous les cylindres compresseurs aspirent de l'air à partir des caissons constitués par la cage 22 et les cadres 13, caissons alimentés en air par une turbo-soufflante non représentée. Les compresseurs 18a, 18b, 17a et 17b placés à gauche du plan médian, c'est-à-dire les compresseurs HP, débitent dans des collecteurs HP 43 par des brides 44 décalées par rapport à l'axe (figures 1 et 3).Les collecteurs 43 sont munis de réfri- gérants 45 (figure 1) et débitent dans des collecteurs de balayage 46 qui alimentent à leur tour tous les cylindres moteurs 15a-d. Les cylindres compresseurs MP, placés à droite du plan médian, alimentent un collecteur moyenne pression (non représenté sur la figure). Une fraction de l'air admis dans ce collecteur MP est envoyée à une turbine à air d'entraînement de la turbo- soufflante. Le reste de l'air est mélangé aux gaz d'échappement provenant des cylindres moteurs 15a-d et alimentent une turbine à gaz attelée à la charge, constituée par exemple par un alterna- teur. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes parti- culiers de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemples. et il doit être entendu que sa portée s'étend à toutes variantes restant dans le cadre des équivalences. -9 2459875 REVENDICATIONS 1. Machine multi-tandem à pistons libres comprenant un bâti, un équipage mobile interne comprenant une traverse centrale transversale à un axe du bâti, guidé en translation de façon à pouvoir se déplacer d'un mouvement alternatif le long dudit axe, portant, de chaque côté, quatre pistons moteurs internes déplaçables le long de cylindres moteurs disposés aix sommets d'un rectangle et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compresseurs internes dont les axes passent hors dudit rectangle, un équipage mobile externe comprenant deux traverses externes reliées par au moins un tirant, portant chacune quatre pistons moteurs externes déplaçables dans quatre desdits cylindres moteurs et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compresseurs externes, et des moyens de synchronisation du mouve- ment alternatif des deux équipages, caractérisée en ce que les axes des cylindres compresseurs internes passent par le prolongement de la petite médiane dudit rectangle tandis que les axes des compresseurs extérieurs, disposés hors dudit rectangle, passent par le prolongement de la grande médiane de ce dernier. 2. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le bâti comprend un socle, un sommier supérieur et deux cadres reliant le socle et le sommier, disposés symétriquement par rapport à un plan médian du bâti et sur lesquels les cylindres compresseurs externes sont fixés par leur face tournée vers le plan médian, les faces opposées desdits cylindres compresseurs externes pouvant être reliées par des plaques. 3. Machine suivant la revendication 2, caractérisée en ce que chaque cadre constitue, avec le socle, le sommier et un carter qu'il contient et qui délimite un espace contenant la traverse externe correspondante, un collecteur d'alimentation des cylindres compresseurs externes. 4. Machine suivant la revendication 1, 2 ou 3, caracté- risée en ce que les traverses externes sont guidées par deux tirants disposés dans le plan des axes des compresseurs externes, avantageusement au droit des axes de ces compresseurs. 5. Machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que chaque traverse est munie de moyens de guidage constitués par au moins un tube fixé à la traverse et se déplaçant dans des paliers fixes dont la distance est égale 2459875 à au moins quatre fois le diamètre du tube. 6. Machine suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de synchronisation comportent des roues engrenant des dentures ménagées sur lesdits tubes et des cré- maillères de transmission et sont symétriques de façon à améliorer le rendement de synchronisation. 7. Machine suivant la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le socle, et le sommier sont également reliés par une structure monobloc centrale sur laquelle sont fixés les cylindres compresseurs externes. 8. Machine multi-tandem à pistons libres, comprenant un bâti, un équipage mobile interne comprenant une traverse centrale transversale à un axe du bâti, guidé en translation de façon à pouvoir se déplacer d'un mouvement alternatif le long dudit axe, portant, de chaque côté, quatre pistons moteurs internes dépla- çables le long des cylindres moteurs disposés aux sanmets d'un rectangle et deux pistons compresseurs coulissant dans des cylindres compresseurs internes dont les axes passent hors dudit rectangle, un équipage mobile externe comprenant deux traverses externes reliées par au moins un tirant, portant chacune quatre pistons moteurs externes déplaçables dans quatre desdits cylindres moteurs et deux pistons compresseurs coulissant-dans des cylindres compresseurs externes, et des moyens de synchronisation du mouvement alternatif des deux équipages, caractérisée en ce que le bâti comporte un socle et un sommier supérieur reliés par au moins une structure monobloc centrale sur laquelle sont fixés les cylindres compresseurs internes. 9. Machine suivant la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la structure centrale comporte un caisson constituant collecteur d'admission d'air dans les compresseurs internes, sur lesquels les compresseurs sont fixés par leur face terminale. 10. Machine suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le caisson comprend un carter contenant la traverse centrale et muni de traversées étanches pour les tiges des pistons moteurs. 11. Machine suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte deux cadres latéraux sur lesquels sont fixés en bout les compresseurs extérieurs, reliés par des structures cruciformes respectives à la structure monobloc centrale. 12. Machine suivant la revendication 11, caractérisée en ce que chacun des cylindres moteurs est fixé dans l'un des dièdres de la structure cruciforme. 13. Machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pistons compresseurs externes sont reliés par des tirants passant hors de la traverse centrale.