Brevet FR2516166A1 — publié le 19830513

La présente invention est relative d une machine thermique capable ac trans- former diverses sources de chaleur en energie mécanique. Parmi les machines thermiques on peut distinguer les moteurs tels que ce-ax à explosion ou combution interne, dans lesquels le débagement d'énergie thermi- que a lieu au sein méme du fluide qui actionne les pièces mécaniques, pistons ou aubagesde turbine par exemple, et les moteurs à fluide intermédiaire, out le dégaement d'énergie thermique a lieu dans un premier fluide ou fluide primaire, la chaleur étant ensuite transmise à un autre fluide, ou fluide intermédiaire ou encore fluide secondaire qui actionne les pièces mécaniques. Les moteurs du premier type sont plus simples en principe, puisqu'ils ne comportent pas de moyens d'échange de chaleur entre le premier fluide et le fluide intermédiaire. En revanche, ils sont exigeants sur la nature du fluide utilisé. Leur grand succès pour les moteurs de petites et moyennes puissances a été la conséquence de l'abondance de produits pétroliers, qui permettent d'obte riir facilement et à bas prix des combustibles, essence, gascle, de caractéris- tiques sensiblement constantes. Les machines à fluide intermédiaire sont actuellement surtout utilisées pour les grandes puissances, en particulier dans les centrales électriques thermiques ou nucléaires. On notera qu'il existe des centrales qui peuvent utiliser alternativement des combustibles aussi différents que les fuels pétroliers et le charbon pulvÉrisé, ce qui serait inconcetable avec un moteur à combustion interne. La rardfaction inéluctable des produits pétroliers donne un nonvel intérêt aux sources d'énergie de remplacement, et le besoin commence à se faire sentir, en particulier d'un moteur, de puissance faible ou moyenne, qui soit capable d'utiliser comme combustible des matières variées, telles que les résidus d'origine agricole,ou encore par exemple, l'énergie solaire concentrée par des miroirs. Un tel moteur, en conséquence de ce qui vient d'être dit, ne peut autre qu'un moteur à fluide intermédiaire, et, ce fluide étant de l'eau pour des - raisons d'économie, il s'agit donc d'un moteur à vapeur, étant entendu que le moteur de l'invention ne saurait être limité à ce type de fluide intermédiaire. Un des problèmes à résoudre lors de la conception d'un moteur thermique à fluide intercdiairc est celui de la transmission de chaleur du fluide primaire au fluide intermédiaire : les échangeurs actuels, pour etre efficaces, sont des pièces compliquées et encombrantes, comportant un grand nombre de tubes, et sont souvent munis en outre de pompes de circulation de fluide. On a proposé il y a plusieurs dizaines d'années d'utiliser la force centrifuge pour accélérer la circulation du fluide secondaire dans l'échangeur, ou chaudière. Celle - ci est alors formée d'un certain nombre de tubes en U disposés dans des plans contenant l'axe de rotation de la chaudière, la partie médiane de chaque tube en U étant la plus éloignée de l'axe et la plus exposée à une flanme située à la périphérie.On peut trouver dans l'ouvrage Éncyclo- pédie de mécanique et d'Electricité" édité par Ouille en 1956 tome 1 pages 657, 658 et 664, une brève description et un schéma de la chaudière Vorkauf qui fonctionne suivant le principe qu'on vient d'exposer, et de la machine wdtner, laquelle dans j une turbine est associéeà une chaudière Vorkauf. Ces chaudières et turbines ne se sont pas répandie sans doute à cause de la concurrence des moteurs à explosion ou combustion interne, favorisés par l'abondance des produits pétroliers. On doit en outre observer que la machine Huttner présente les inconvénients communs à toutes les turbines, à savoir un coût de fabrication élevé et un- faible couple aux bas régimes, ce qui la défavorise pour les applications à vitesses réduites. Le but de la présente invention est de fournir une machine s'accomodant de sources de chaleur, et notamment de combustibles très variés, sans problèmes graves pour passer d'une source de chaleur à l'autre, cette machine étant d'un prix de construction relativement peu élevé, d'un entretien facile, et pouvant présenter par ailleurs des couples plus élevés aux bas régimes, ce qui la rend avantageuse mtme pour les faibles puissances. La présente invention fournit donc une machine thermique à fluide intermédiaire utilisant, comme connusen soi, une chaulière rotative à vapeur dont la chambre est avantageusement de forme annulaire, et un moteur de type à carter tournant dont le ou les pistons sont actionnés par la vapeur produite par la dite chaudière, caractérisée en ce que le ou les cylindres du moteur ainsi que le tore de la chaudière annulaire sont : disposés dans un mtme plan ; solidaires ; et répartis symétriquement autour du mme axe de rotation. Cette machine présente en outre la particulatité suivante : une partie du carter et des organes du moteur sont incorporés au volume annulaire de la chaudière dont ils sont solidaires de telles sorte qu'ils soient directement soumis, sur leurs parois externes à la température et à la pression de la vapeur produite. La machine selon l'invention comporte an arbre fixe, coaxial à son axe de rotation, équipé du maneton-(ou excentrique) moteur sur lequel s'appuient les pièces mobiles, de telle sorte que la pression de vapeur, qui s'exerce sur les pistons, ait pour effet de faire tournervautour du dit axessltensemble chaudière - moteur0 Elle est encore caractérisée en ce que le moteur incorporé est un moteur de type en étoile dont seules les pièces mobiles constituées notamment par les bielles ainsi qu'une portion des tiges de commande des soupapes restent situées au en dehors du volume interne de la chaudière bien que comprises dans le volume cylindrique central de la machine où la lubrification des articulations est réalisée. Le fait d'avoir prévu un moteur à pistons procure des avantages bien con nus, de faiblc prix de revient et de couple élevé à bas régime. Le moteur fonc tionne à des températures bien plus basses qu'un moteur à combustion interne, grâce à l'existence du fluide intermédiaire et à la disposition du moteur à l'intérieur du volume de la chaudière, la durée de fonctionnement est donc augmentée. Le fait que le moteur tourne avec la chaudière supprime tout pro blèse de joint tournant et permet des liaisons très courtes entre la chaudière et le moteur. Suivant des modalités prUiérées, la machine comporte en outre - Solidairement et tournant avec elle, un aérocondenseur qui reçoit la vapeur détendue en provenance des cylindres, et sa pompe de refoulement pour retourner à la chaudière le liquide condensé sous la pression de fonctionnement, cette pompe, étant actionnée par une came appartenant à l'arbre fixe. - Au moins un tube extérieur qui est destiné à opérer la surchauffe de la vapeur avant son admission dans les cylindres, ce tube étant soudé contre la jante de la chaudière et partiellement en contact avec le fluide primaire. - Un jeu de cylindres haute pression et un jeu de cylindres basse pression, destinés à permettre le fonctionnement de la machine sous le principe de la double détente. Dans une réalisation avantageuse il est encore utilisé - Des tubes de surchauffe dont les extrémités, qui traversent de façon étanche la paroi de la chaudière, communiquent, d'une part avec l'intérieur de la chambre d'ébullition d'où est extraite la vapeur humide, et d'autre part avec les boîtiers d'admission dtoù la vapeur surchauffée est admise dans les cylindres haute pression. - Des tubes de- resurchauffe placés à l'intérieur de la chaudière et immergés dans le fluide secondaire à l'état liquide, les extrémités de ces (ou du) tubes communiquant d'une part, avec les boitiers d'échappement dtau moins un cylindre haute pression, et d'autre part avec lesboitiers d'admission d'au moins un cylindre basse pression alimenté par la vapeur ainsi resurchauffée. - Une autre forme de réalisation de l'invention incorpore un moteur de type à piston rotatifs ce moteur du type Wankel par exemple.(Brevet F. nO 2 333 124) Pour la commodité de mise en route, la machine utilise un moyen de déblocage de l'arbre fixe par rapport au bâti, moyen permettant d'entratner en rotation la machine à l'aide dlun moteur auxiliaire pendant la période de démarrage comprenant le temps necessaire pour réaliser la montée en pression de- la vapeur. L'invention va Btre exposée plus en détail à l'aide d'un exemple pratique de réalisation non-limitatif, illustré par le dessin représenté sur la planche unique qui est une coupe axiale de la machine. La machine comporte un bati 1 qui porte deux paliers coaxiaux 2 et 3. Le palier 2 porte l'arbre fixe 4 par l'intermédiaire de deux roulements 5, 6. Cet arbre porte à son extrémité la plus écartée du centre du bati une poulie 7 qui la relie au moteur de démarrage (non représenté) la poulie 7 est solidaire de l'arbre fixe 4. Pendant la marche normale, un verrou, schématiquement représenté en 81bloque la poulie 7 et l'arbre 4 par rapport au bâti 1. A son extrémité opposée à la poulie 7, l'arbre 4 porte un maneton 9, équipé d'un roulement à aiguilles 10 sur la jante duquel viennent prendre appui les pieds de six bielles 11. Les bielles portent, par des articulations 12,trois pistons haute pression (HP) 13 et trois pistons basse pression (3P) 14 disposés en étoile et de façon alternée. Le second palier 3 porte, par le bati 1 et par l'intermédiaire de deux roulements 15 et 16 l'arbre de sortie, ou arbre moteur 17 de la machine. L'extrémité 18 de cet arbre de sortie, situé le plus loin du centre du Cati, peut autre relié à tout dispositif (non représenté) auquel on désire fournir de l'énergie, et à cet effetsette extrémité peut présenter des cannelures ou des moyens de clavetage (non représentés). L'autre extrémité de l'arbre de sortie 17 forme un flasque 19 qui est fixé, à l'a de de goujons non repré- sentés sur le carter de chaudière 20. Le carter 20 présente la forme d'un tore à section trapézoïdale, dont l'axe de s métrite coincide avec celui des arbresbfixe 4 > et de sortie 17. La face tournée vers }'axe du carter 20 porte trois cylindres HP 21 et trois cylindres BP 22, correspondants respectivement aux pistons HP 13 et BP 14. Les cylindres 21 et 22 sont essentiellement situés à l'intérieur de l'espace annulaire du carter* qui constitue la chambre d'ébullition de la chaudière. Les boitiers de soupapes d'admission 29 et d'échappement 24 des cylindres HP 21 et les boitiers de soupapes d'admission 25 et d'échappement 26 des cylindres BP 22 sont également dans la chambre d'ébullition de la chaudière. Les soupapes sont commandées,par des cames 27 calées sur l'arbre fixe 4,grâce à des tiges poussoirs 28 qui traversent la paroi interne du carter de chaudière 20 dans des passages 29 munis de joints étanches non représentés. Le carter de chaudière contient encore trois tubes de resurchauffe 30, communiquant entre eux et reliés par des tubulures 31 d'un coté aux soupapes dléchmpement 24 des cylindres HP et de l'autre aux soupapes d'admission 25 des cylindres BP. Ces tubes 30-sont situés plus loin de 1 'axe que la surface cylindrique 32 qui correspond au niveau de Liteau qui constitue ici le fluide secondaire dans la chaudière lorsque celle - ci est en fonctionnement normal, la force centrifuge amène alors 11 eau à constituer une masse annulaire dans la partie périphérique de la chaudière. Les têtes de cylindres et les soupapes sont plus près de l'axe que la surface 32 de niveau de l'eau. Les cylindres sont ainsi totalement immergés dans la vapeur, lors de la marche, ce qui supprime tout phénomène de condensation le long de leur paroi interne lors de la détente. A l'extéri3ur de la chaudière, et sur sa jante sont soudés en spirale trois tubes de surchauffe 33, espacés les uns des autres , chaque tube circule le long de la paroi externe de la chaudière et en fait deux fois'le tour. Une des extrémités du tube pénètre dans la chaudière de façon étanche et y débouche par un tube 34 qui s'ouvre en un point plus proche de l'axe que laùrface de niveau d'eau 32, c1 est à dire que le tube 34 communique avec la zone de la chaudière qui, en marche, est emplie de vapeur. L'autre extrémité du tube de surchauffe 33 est reliée à la soupape d'aanission 23 d'un cylindre HP. Les tubes de surchauffe 33 sont en contact avec les gaz chaudes, provenant par exemple d'un bruleur, qui constituent le fluide primaire et circulent autour de la chaudière. Ces gaz chauds transmettent également leur chaleur directement à l'eau de la chaudière à travers la paroi externe de celle - ci. Un aérocondenseur 37 ou condenseur refroidi par l'air est accolé axialement à la chaudière 20 et solidaire de celle - ci. I1 comprend une chambre d'alimentation en vapeur 53, de forme annulaire, reliée par des tubulure 36 aux soupapes d'échappement 26 des cylindres BP 22, ces tubulures 36 traversent la paroi de la chaudière de façon étanche. Une série de tubes coniques en cuivre 39, parallèles à l'axe communiquent par leur extrémité de grand dia faiblement espacaes mètre avec la chambre 38. Les tubes 39 sont soudés dans des tôles/40 en La chambre d'alimentation en vapeur 38 peut accessoirement recevoir de liteau d'alimentation de la chaudière ou de 11 eau d'appoint. Cette eau est déversée dans une gouttière annulaire 42 et s'écoule par une tubulure formant siphon 43 jusqu'à la chambre, cette disposition empêche la- communication directe de la chambre 38 avec l'extérieur par le tube 43. La partie de la chambre 38 la plus écartée de l'axe constitue un collecteur 44 pour l'eau condensée. A l'intérieur de ce collecteur se trouve ume pompe à piston 45 actionnée par un excentrique 46 calé sur le palier 2 porté par le bâti 1 et une tige poussoir 47. Cette pompe refoule Liteau du collecteur 44 vers la chaudière 20 par une tubulure 48. Des ailettes 49 favorisent l'écoulement de l'air de refroidissement au travers des tôles 40 du condenseur 37. Cet air est aspiré au centre de la machine et refoulé vers l'extérieur. Un capot 50 fixé sur un bâti 1 et isolé thermiquement enveloppe la chaudière. Les gae chauds provenant d'une source telle qu'un bradeur, non représenté penétrent par un orifice 51 dans l'espace annulaire compris entre le capot et la chaudière. Ils s'échappent par une fente circulaire 52 une fois qu'il ont échangé leurscalories. On a représenté en 53 une rigole annulaire prévue sur la face de la chaudière qui est tournée vers l'axe. Cette rigole sert de collecteur pour l'huile reprise par une pompe non représentée et projetée en permanence sur les pie ces à lubrifier situées dans cette région de la machine : roulements; pistons et cylindres, cames etc... L'huile retourne à la rigole 53 sous l'effet de la force centrifuge grâce à une légère inclinaison sur ltaxe de la face interne de la chaudière. La mise en route et le fonctionnement de la machine s'opèrent de la façon suivante : Le verrou 8 étant dégagé la machine peut tourner librement et sans effort entre ses 2 paliers 2 et 3. En effet, les pistons sont alors immobiles dans les cylindres. Un moteur auxiliaire est utilisé pour mettre l'enseme; ble en rotation dans le sens normal, on tourne le moteur et cela à une vitesse suffisante pour que l'anneau d'eau, dans la chaudière, puisse s'établir (par exemple 100 tours / minute).On remarquera que dans ces conditions seule la pompe à eau fonctionne puisque son "poussoir" prend appui sur ltescentriqus 46 calé sur le palier 2 restant fixe, On prépare ensuite la quantité d'eau necessaire pour remplir la chaudière en rotation jusqu'au niveau circulaire 32. On introduit cette eau dans la gouttière annulaire 42 et la pompe 45 la refoule à l'intérieur de la chaudière. Le brtleur est alors allumé. les gaz chauds passant par les volumes en spirale 35 laissés entre les tubes de surchauffe 33 élèvent la température de la jante de la chaudière. La température de l'eau augmente et une pression de vapeur s1 établit dans la chaudière. Parmi les 3 soupapes HP il y- en a toujours une ouverte, la vapeur s'engage donc dans le tube de surchauffe correspondant puis par l'intermédiaire de la soupape dans le cylindre HP. Elle refoule alors le piston engendrant un mouvement de rotation entre l'arbre chaudière et celui portant le maneton. (ce mouvement correspondant à une accélération de la chaudière par rapport à l'arbre fixe initialement entrainé). On décélère le moteur auxiliaire jusqu a annuler la vitesse de l'arbre fixe de la machine ce qui perraet d'introduire le verrou 8 dans son logement La machine est alors en marche. I1 suffit dès lors d'effectuer le réglage du brûleur pour obtcnir la vitesse et le couple désiré. N3: L'appareil décrit a été choisi fort simple pour faciliter l'exposé. Il va de soi que sans transformer l'invention un certain nombre de perfectionnements techniques peuvent titre avantageusement ajoutés - Utilisation d'un réllateur de vitesse. - Implantation de cames réglables en marche (réglage du temps d'ouverture des soupapes). - Contrôle de T0 de la chaudière et du niveau d'eau. - Contrôle de la combution en rapport avec le combustible choisi et le travail demandé. A titre d'exemple la température de ;'eau de la chaudière est de 235 O C, ce qui correspond à une pression de vapeur de l'ordre de 30 bars. Cette vapeur pénètre dans les tubes de surchauffe 30 où sa température seule va passer à 300 0 C elle devient donc sèche. De là elle est admise, pendant une fraction de la course, dans les cylindres HP 21 ou, en refoulant les pistons elle se détend. I1 en résulte une baisse de température par exemple 160 O C accompagnée de 5 , de condensation, la pression tombe alors à 6,5 bars. La vapeur accompagnée du condensat s'échappe et se trouve refoulée vers les tubes de resurchauffe 30. L'eau condensée s1y rassemble en périphérie du fait de la force centrifuge. Les tubes de resurchauffe sont à 235 l'eau s'y évapore de nouveau et la vapeur resurchauffée avant dtêtre admise dans les cylindres BP 22 pour y fournir à nouveau un certain travail et s1y détendre pour atteindre une pression légèrement supérieure à la pression atmosFhérique. De là elle s'échappe et est refoulée dans la chambre 38 de l'aérocondenseur. Fuis elle se répartit dans les tubes coniques 39 du condenseur. Ces tubes étant refroidis extérieurement par la circulation d'air résultant de la rotation de l'ensemble, la vapeur s'y condense en gouttelettes qui, du fait de la force centrifuges sont projetées contre la paroi des tubes la plus éloigné de l'axe de rotation de ltaérocon denseur. Comme ceux - ci ont du fait de leur conicité, une pente, cette eau gagne le collecteur 44. On remarquera que cette eau taude le reste parce qu'elle chemine à contre courant vers l'entréeMdes tubes coniques. On constate dans la pratique que les tales 40 en couronne servant d'ailettes sont chaudes du côté de la chambre à vapeur tandis qu'elles sont freides à l'opposé, et que le nombre de tales chaudes varie selon la puissance demandée au moteur. L'eau condensée et chaude gagne le collecteur d'où la pompe 45 la refoule à la pression convenable c'est à dire autour de 30 bars vers la chaudière. Ainsi le cycle thermique du fluide intermédiaire est - il bouclé. Une mise à l'atmosphère de chaque tube conique est réalisée en 41, ainsi une surpression ne peut s'établir dans l'aérocondenseur. REVENDICATIONS 1. Machine thermique à fluide intermédiaire utilisant, comme connus en soi, une chaudière rotative à vapeur dont la chambre est avantageusement de forme annulaire , et un moteur de type à carter tournant dont (le ou) les pistons sont actionnés par la vapeur produite par la dite chaudière, caractériséeen ce que (le ou)les cylindres du moteur, ainsi que le tore de la chaudière annulaire sont disposés dans un mdme plan; solidaires; et répartis symétriquement autour du vmeme axe de rotation. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'au moins une partie du carter et des organes du moteur sont incorporés au volume annu laire de la chaudière dont ils sont solidaires de telle sorte qu'ils soient directement soumis, sur leurs parois externes à la température et à la pression de la vapeur produite. 3. Machine selon les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte un arbre fixe, coaxial à son axe de rotation, équipé du maneton (ou excentrique) moteur sur lequel s'appuient les pièces mobiles, de telle sorte que la pression de vapeur, qui s'exerce sur les pistons, ait pour effet de faire tourner, autour du dit axe,l'ensemble chaudière - moteur. 4. Machine selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le moteur incorporé est un moteur de type en étoile dont seules les pièces mobiles constituées notamment par les bielles ainsi qu'une portion des tiges de commande des soupapes,restent situées en dehors du volume interne de la chaudière bien que comprises dans le volume cylindrique central de la machine où la lubrifi cation des articulations est réalisée. 5. Machine selon les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte, solidairement et tournant avec elle, un aérocondenseur qui reçoit la vapeur détendue en provenance des cylindres, et sa pompe de refoulement pour retourner à la chaudière le liquide condensé scus la pression de fonctionnement, cette pompe étant actionnée par une came appartenant à l'arbre fixe. 6. Machine selon les revendications 1 à 4 cracterise par le fait qu'elle comporte au moins un tube extérieur qui est destiné à opérer la surchauffe de la vapeur avant son admission dans les cylindres, ce tube étant soudé contre la jante de la chaudière et partiellement en contact avec le fluide primaire. 7. Machine selon les revendications 1 à 4 et 6, caractérisée par le fait qu'elle compsrte un jeu de cylindres haute pression et un jeu de cylindres basse pression, destinés à permettre son fonctionnement sous le principe de la double détente. 8. Machine selon les revendications 6 et 7, caractérisée par le fait que les ( ou le) tubes de surchauffée dont les extrémités, qui traversent de façon étanche la paroi de la chaudière, communiquent d'une part avec l'intérieur de la chambre ?'ébullition d'où est extraite la vapeur humide et d'autre part avec les boîtiers d'admission d'où la vapeur surchauffée est admise dans les cylindres haute pression. 9. Machine selon les revendications 7 et 8, caractérisée par le fait qu'elle comporte des (ou un) tubes de resurchauffe placés à l'intérieur de la chaudière et immergés dans le fluide secondaire à l'état liquide, les extrémités de ces (ou du) tubes communiquant d'une part avec les boitiers d'échappement d'au moins un cylindre haute pression et d'autre part avec les boitiers d'admission d'au moins un cylindre basse pression alimenté par la vapeur ainsi resurchauffée. 10. Machine selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que le moteur incorporé est un moteur de type à piston rotatif. 11. Machine selon les revendications 1 à 10 caractérisée par le fait qu'elle utilise un moyen de déblocage de l'arbre fixe par rapport au coati, moyen permettant d'entraSner en rotation la machine à l'aide d'un moteur auxiliaire pendant la période de démarrage conprenant le temps nécessaire pour réaliser la montée en pression de la vapeur.