Brevet FR2561315A1 — publié le 19850920

- -2561315 "Machine hydraulique". La présente invention concerne d'une façon générale les machines hydrauliques ou turbines, entraînées en rotation par la pression ou le déplacement d'un fluide. On connatt déjà depuis fort longtemps différents types de machines hydrauliques qui font appel d'une façon générale à un organe en rotation muni d'aubes ou de pales, ladite rotation étant engendrée par la pression ou le déplacement d'un fluide déchargé sur les aubes par un système de distribution. Cependant, aucune des machines hydrauliques de type connu ne peut à la fois présenter un rendement énergétique satisfaisant sous des vitesses de rotation quelconques dans une ganmme comprise entre une vitesse nulle et une vitesse relativement élevée. En outre, les machines hydrauliques connues sont relativement encombrantes dès que la puissance de sortie à fournir doft être élevée. Enfin, les machines connues présentent toutes une certaine inertie, ce qui interdit leur utilisation dans des applications o sont exigés un démarrage et un arrêt instantanés. La présente invention a pour objet de pallier les inconvé- nients ci-dessus et de proposer une machine hydraulique ou turbine d'un principe nouveau, qui puisse opérer avec un rendement proche de 100% à des vitesses de rotation quelconques pouvant atteindre par exemple 3000 tours/minute, qui soit d'un encombrement tout à fait réduit, même pour des puissances de sortie élevées, et dont le démarrage et l'arrit soient pratiquement instantanés, c'est à dire dont le couple de sortie nominal puisse 4tre atteint immédiatement après le début de l'alimentation en fluide hydraulique sous pression. Un autre objet de la présente invention est de proposer une nouvelle machine hydraulique de conception simple'et peu onéreuse qui puisse opérer sans aucune modification sous des conditions de puis- sance et de vitesse tout à fait quelconques. A cet effet la présente invention concerne une machine hydraulique, du type engendrant une énergie mécanique à partir d'une alimentation en fluide sous pression, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une chambre de travail dans laquelle est monté rotatif autour d'un axe un rotor cylindrique solidaire d'un arbre de sortie de la ma- chine, la chambre et le rotor définissant ensemble un espace de travail- annulaire de largeur variable, et nulle en au moins une ligne de contact entre le rotor et une paroi de la chambre, des moyens d'admission mé- - 2 - 2561315 nagés centralement dans le rotor, au moins un évidement radial ménagé dans le rotor et en communication avec les moyens d'admission par son extrémité intérieure, un organe de distribution et de séparation étant monté coulissant radialement dans ledit évidement et étant plaqué par la pression de fluide contre ladite paroi de la chambre pour séparer ledit espace de travail en un premier espace qui est simultanément mis en communication avec les moyens d'admission par découvrement d'un passage de distribution ménagé dans ltorgane de distribution et de sépa- ration et en-un second espace qui est isolé des moyens d'admission et en communication avec des moyens de sortie de fluide, l'accumulation de fluide sous pression dans le premier espace repoussant ledit organe de distribution et de séparation pour ainsi faire tourner le rotor, et donc l'arbre de sortie, le fluide inerte situé dans la seconde chambre étant simultanément chassé de celle-ci par ledit organe de distribution et de séparation à travers lesdits moyens de sortie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée d'une machine hydraulique selon l'invention, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale verticale d'une forme de réalisation préférée de la machine hydraulique selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne I-I de la machine de la figure 1, les figures 3A à 3D sont des vues schématiques en coupe transversale illustrant le fonctionnement de la machine des figures 1 et 2, la figure 4 est une vue de détail en coupe d'une partie de la machine des figures 1 et 2, la figure 5 est une vue en perspective d'une autre partie; la figure 6 est un diagramme schématique d'une application de ladite machine; et le figure 7 est une coupe d'une variante de réalisation. En référence aux dessins, et plus particulièrement aux figures l et 2, la machine hydraulique de l'invention comprend un carter extérieur principal 10, de forme sensiblement cylindrique, qui est traversé longitudinalement par un alésage de section circulaire excentré 12, appelé par la suite chambre de travail. Un alésage de sortie de fluide 14 s'étend dans le carter 10, dans sa région de plus forte épaisseur, parallèlement à l'alésage 12, et communique avec l'intérieur de l'alésage 12 par quatre passages radiaux 16 régulièrement espacés dans la direction verticale. -3 -2561315 Plus préci4?7mnt, et comme le montre la figure 1, le carter extérieur 10 est constitué de quatre carters élémentaires cylindriques superposés et séparés les uns des autres par des cloisons de séparation horizontales 18 en forme de disques, d'un diamètre égal à celui du carter 10, et présentant une ouverture centrale, comme on le verra par la suite, ainsi qu'un passage 19 mettant en communication entre eux les alésages de sortie 14 des carters élémentaires. Un carter supérieur 20 et un carter inférieur 22 sont en outre montés respectivement à l'extrémité supérieure et à l'extrémité inférieure du carter 10, et l'ensemble est rigidement assemblé au moyen d'une pluralité de boulons 24 (non représentés sur la figure 2) traversant des trous coincidents appropriés 26 ménagés dans les carters supérieur et inférieur 20, 22, dans les cloisons 18 et dans les carters extérieurs élémentaires 10 à la périphérie de ceux-ci pour ainsi définir un ensemble à quatre chambres de travail 28, comme on le verra par la suite. La partie supérieure de l'ensemble ainsi défini, située entre la chambre supérieure et le carter supérieur 20, et délimitée par un carter extérieur de canalisation 30, sera décrite plus en détail par la suite. Toujours en référence aux figures 1 et 2, la machine comprend en outre, traversant axialement celle-ci à travers les ouvertures centrales des cloisons 18 et s'étendant sur toute la longueur des chambres de travail 28, un arbre cannelé creux 32 monté rotatif par l'intermédiaire de roule- ments 34 et 36 respectivement sur les cloisons supé- rieure et inférieure, indiquées respectivement en 18a et 18b. Comme on le en 39 verra par la suite, l'extrémité supérieure de l'arbre 32 est ouvert 8 son alésage central 38 communiquant ainsi avec une chambre duadmission 40 définie entre le carter extérieur 30, la cloison supérieure 18a et le carter supérieur 20. Dans chacune des chambres de travail 28 est monté un rotor 42 de forme cylindrique, qui présente en son centre un alésage axial 44 comportant une série de rainures agencées pour correspondre avec lea cannelures 46 de l'arbre 32, les quatre rotors 42 étant ainsi solidaires en rotation de learbre 32. On peut noter que le rayon de chaque rotor 42 est précisément égal à la distance minimale entre l'axe de la machine et la paroi des chambres de travail excentrées 28, de sorte que chaque rotor affleure avec sa paroi de chambre associée selon une ligne de contact verticale assurant une étanchéité, comme on le verra par la suite. Les rotors42 sont supportés en rotation dans leurs chambres-de travail respectives 28 par des roulements -.47 interposés entre les faces internes respectives des ouvertures centrales des cloisons 18 et des gradins 4 2561315 appropriés 48 ménagées sur les faces supérieure et inférieure de chaque rotor et entourant l'arbre cannelé 32. Une étanchéité appropriée est assurée entre chaque rotor 42 et les faces associées des cloisons 18 au moyen de joints d'étanchéité ou segments circulaires reçus dans des rainures correspondantes 50 ménagées dans les faces supérieure et inférieure de chaque cloison intermédiaire 18, dans la face inférieure de la cloison supérieure 18a et dans la face supérieure de la cloison infé- rieure 18b, chaque joint étant réalisé par superposition d'un joint en liège 52 et d'un joint en cuivre 54, par exemple. Ces joints sont situés sensiblement à mi-distance entre l'axe central de la machine et 8a péri- phérie. Ainsi, et comme on le voit sur la figure 2, du fait de la position excentrée de l'alésage 12 définissant les chambres de travail 28, lesdites chambres et les rotors 42 associés définissent entre eux un espace en forme de croissant, élément fondamental du fonctionnement de la présente machine. En référence aux figures 2 et 4, on peut observer que chaque rotor 42 présente, s'étendant sur l'intégralité de sa hauteur axiale, un évidement radial 56 de forme sensiblement parallélipipédique qui commu- nique avec l'alésage central 38 de l'arbre cannelé 32 à travers un passage radial 58. Lt'évidement 56 de chaque rotor 42 reçoit intimement un organe de distribution et de séparation feuilleté 60 (voir également figure 5) qui s'étend sur toute la hauteur axiale du rotor, affleurant ainsi sur les faces supérieure et inférieure de celui-ci pour tre en con- tact étroit avec les faces associées des cloisons 18 en assurant avec les joints 52, 54 une étanchéité appropriée. La longueur axiale de chaque organe 60 est sensiblement égale à celle de l'évidement associé 56, ltorgane 60 pouvant coulisser radialement dans celui-ci. Il faut noter que chaque organe 60 est constitué d'une pluralité de plaques indivi- duelles parallèles 60a libres de coulisser entre elles. En référence aux figures 2 et 5, on peut observer que l'organe de distribution et de séparation 60 présente sur une de ses faces 64 latérales un passage de distribution creusé 62 mettant en communication le fond de l'évidement associé 56 avec la région radialement extérieure de ladite face 64, appelée par la suite face d'attaque, à savoir la face de droite sur la figure 2, la face opposée 66, dite face de fuite, à gauche sur la figure, étant quant à elle pleine. Notons enfin que les quatre rotors 42 présentent à l'in- térieur de leur chambre de travail respective 28 des positions angulaires décalées de 90' l'urepar rapport à l'autre à des fins expliquées par la 2561315 suite. A cet égard, les quatre passages radiaux 58 de l'arbre central 32, en communication respective avec les évidements 56 des rotors 42, sont bien entendu également décalés de 90', comme le montre la figure 1. On notera ici que, pour que ce déphasage des rotors de 90* puisse être ob- tenu, le nombre de cannelures de l'arbre 32 devra Stre un multiple de 4. De nouveau en référence à la figure 1, on voit que le carter annulaire extérieur 30 situé entre la cloison supérieure 18a et le carter supérieur 20 présente un passage d'admission coudé 68 mettant en communication un trou taraudé 70, donnant sur l'extérieur, avec l'intérieur de la chambre d'admission 40. Le carter annulaire 30 présente en outre, dans la région de sa périphérie, un passage de sortie 72 mettant en communication l'alésage de sortie 14 du carter 10 avec un trou taraudé 74 donnant sur l'extérieur. Lesdits trous taraudés 70, 74 sont agencés pour 4tre raccordés respectivement à un tuyau d'amenée de fluide sous pression et à un tuyau de reprise de fluide (non représentés). Enfin l'arbre cannelé 32 comporte, d'une pièce avec lui, un prolongement vers le haut 76 faisant saillie à l'extérieur du carter supérieur 20 en tournant dans un palier 78 de celui-ci, et sur lequel peut être monté un organe d'entratnement de type quelconque, dans le cas présent une poulie 80 pour courroie. Le fonctionnement de la machine hydraulique selon la pré- sente invention est décrit ci-dessous en référence aux figures 1 et 3A à 3D. Lorsqu'un fluide sous pression, tel qu'une huile hydraulique con- ventionnelle, est délivré par un tuyau au niveau du passage d'admission 68, celui-ci, par sa pression, remplit la chambre d'admission 40 et l'alé- sage central 38, qui communique avec elle, de l'arbre cannelé 32. La pression du fluide- achemine en outre celui-ci à travers chaque passage radial 58, et les plaques individuelles 60a de chaque organe de distribu- tion et de séparation 60 sont ainsi repoussées vers la paroi interne de l'alésage 12 délimitant la chambre de travail 28, pour chacune assurer une ferme étanchéité avec celle-ci et séparer là chambre de travail en deux espaces isolés l'un de l'autre. La fluide sous pression est alors ache- miné à travers le passage de distribution creusé 62 pour entrer dans l'es- pace 82 de la chambre de travail 28 situé du c8té de la face d'attaque 64 de l'organe 60, à droite de celui-ci sur la figure 3A. Il faut noter a cet égard que, l'organe 60 étant poussé vers l'extérieur par la pression de fluide régnant au fond de l'évidement 56, une lumière de sortie du passage de distribution 62 est ainsi découverte par l'ar'te latérale adja- cente de l'évidement 56 du rotor, et e'est ce qui permet, dans la mesure ou la position angulaire du rotor est telle que la distance radiale entre - 6 - 2561315 la face extérieure du rotor et la paroi intérieure de la chambre 28 est suffisante, au fluide sous pression de pénétrer dans l'espace 82 de la chambre, dit espace actif. Le fluide s'accumulant dans ledit espace, sa pression va repousser l'organe 60 vers la gauche sur la figure 3A, pour ainsi entraPner le rotor 42, et donc l'arbre 32, dans le sens des aiguilles d'une montre sur cette figure, cette rotation conduisant à la situation représentée sur la figure 3B. La pression continuant à s'exercer et le rotor continuant ainsi à tourner, les plaques 60a constituant l'organe 60 se rétractent progressivement dans l'évidement 56, du fait que la distance entre la face extérieure du rotor et la paroi intérieure de la chambre 28, ou largeur de chambre, diminue. A cet égard, dans la position représentée sur la figure 3C, l'organe de distribution et de séparation 60 est complètement rétracté dans l'évidement 56, et la lumière de sortie du passage de distribution 62 vient juste d'Itre obturée par l'ar&te adja- cente du rotor, l'espace 82 devenant alors isolé de l'admission de fluide sous pression et une période de fonctionnement inactive apparaissant ainsi dans la région de contact du rotor 42 et de la paroi de la chambre de travail 28. On peut noter que la distance angulaire correspondent à cette période de fonctionnement inactive est fonction, commane on peut le com- prendre, de la distance radiale qui sépare l'extrémité radialement ex- térieure de l'organe 60 de l'extrémité extérieure du passage de distri- bution creusé 62, distance désignée par d sur la figure 2. On choisira pour la valeur de cette distance d un compromis fonction d'une part des exigences de robustesse et d'étanchéité de l'organe 60, et d'autre part de l'exigence d'une durée minimale de la période inactive. De nouveau en référence aux figures 3A à 3D, le rotor 42 continuant de tourner de la position représentée sur la figure 3C vers la position représentée sur la figure 3D (cette rotation de période inactive ayant lieu malgré tout du fait que les trois autres rotors, dé- phasés, sont quant à eux en période active et continuent d'entratner l'arbre 32), la lumière de sortie du passage de distribution 62 est à nouveau découverte (figure 3D) et le fluide sous pression acheminé commae plus haut remplit à nouveau l'espace actif 82 de la chambre de travail 28, du c8té de la face d'attaque 64 de l'organe 60, tandis que la face de fuite 66 dudit organe 60 chasse le fluide situé dans l'espace devenu inactif ou inerte 84 de la chambre de travail, ce fluide n'étant plus sous pression, commnne indiqué plus haut, et étant chassé à travers le pas- sage radial 16 du carter extérieur 10 vers l'alésage de sortie 14, disposé 2 5 6 ni 3 1 5 7- en une position angulaire ppropriée, dans la région correspondant à la période inactive de manière à Atre toujours en communication avec l'espace inactif 84, mais jamais en communication avec l'espace actif 82. Le fluide de sortie est alors acheminé à travers le passage de sortie 72 du carter 30 vers le tuyau de reprise de fluide (non repr&senté). Le cycle illustré par les figures 3A à 3D est ainsi éxécuté, avec les déphasages mentionnés, par les quatre rotors 42 qui entratnent l'arbre 32 et, par l'intermédiaire de son prolongement 76, la poulie 80, ou tout autre organe dtentratnement, en continu, avec, comne caraetris- tiques avantageuses, un rendement tout à fait proche de 100%, si les divers étanchéités et roulements sont correctement conçus, un démarrage et un arrdt pratiquement instantan4s, un échauffement négligeable, avec des possibilités de fonctionnement pendant des durées considarables sans défaillance. En outre, une puissance de sortie et une vitess de rotation levées peuvent 8tre obtenues avec une machine hydraulique telle que dé- crite conservant des dimensions réduites. Par exemple des essais de pro- totypes ont d&éontré qu'une machine d'un diamètre de 2 cm et d'une lon- gueur de 50 cm pouvait transmettre une puissance de 440 ki:louatts à des vitesses dépassant 3000 toursamiuute. De plus, il est particulièrement ais4 d'inverser le sens de rotation d'une telle machine, soit en retournant dans leurs fvideents 56 les organes de distribution et de séparation 60, soit encore en inversant l'entrée et la sortie de fluide de la machine. Enfin, en con.r8lant de faron appropriée la pression et le débit du fluide. d'admission, on peut farilement faire varier la v t Zse de rotation de façon continue entre une vitesse nulle ot la vitease noai- nale, avec une grande précision, ainsi que le couple et la puseaucce de sortie. Sur la figure 6 est sch&atiqumnt Illustrge une appicatni possible de la machine hydraulique selon la présente tlvonticu. Sur cette figtr, wn moteur dizel 100 de uiesance appropriée entzat n nue centrifuge 102 dont la s rtie de fluúde hydraulique aoue p eseiau ese raccorde, par lintemlire dune vanne ou d'une électrovanne 10!, au c4té d'admission de le 1 acie hydraulique 106 de linventîon, dont la sortie dq fluide est raccord2 à l'entrée de ladite pompe 102. La turbine 106 entrane, par un ayatemv a poulies et courroiea appropriées, globale- ment indiqué en 108, une pompe 110 deatinée par exemple au pompage au fond d'un puits artésien. Un avantage easentiel de la présente invention apparatt 8 2561315 ici clairement, selon lequel il est possible de transporter de l'énergie, sous forme hydraulique, entre la pompe centrifuge 102 et la machine hydrau- lique 106 sur de grandes distances et sans aucune perte d'énergie, par opposition aux pertes diverses inhérentes aux transferts d'énergie électri- que et mécanique conventionnels. On peut noter en outre qu'une même machine, de conception simple et peu onéreuse, aucun métal ou alliage de caractéristiques particulières n'étant nécessaire, peut être utilisée avantageusement pour de nombreuses configurations de puissance et de vitesse de rotation, sans aucune modifi- cation interne. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite, et inclut dans sa portée toute variante ou modifi- cation apportée par l'homme de l'art à l'aide de ses connaissances moyennes. En particulier, le nombre de chambres de travail en superposition et le nombre d'organes de distribution, pourront être modifiés sans sortir du cadre de l'invention. Il est possible de faire appel à un alésage de carter présentant une bi-excentricité, deux chambres de travail 128 en forme de croissant étant ainsi présentes à chaque étage et le rotor associé 142 com- portant deux organes de distribution et de séparation 160 diamétralement opposés. En outre, le décalage angulaire entre les rotors 42 est, bien entendu, fonction du nombre de ceux-ci; par exemple il est de 120 pour 3 rotors, 90 pour 4 rotors, 60 pour 6 rotors, etc... Par ailleurs, les or- ganes de distribution 60 pourront chacun être réalisés par usinage approprié d'un bloc unitaire, au lieu d'être constitués, comme illustré ci-dessus, d'une structure feuilletée. Enfin, chaque organe de distribution peut com- prendre, au lieu de la gorge unique 62 telle que représentée sur la figure , une pluralité de gorges parallèles, axialement espacées; dans ce cas, on peut améliorer l'étanchéité ainsi que la résistance mécanique. On notera que la structure de la machine sus-décrite permet avantageusement l'utilisation d'un fluide hydraulique de type quelconque (huile, eau ou air pressurisés...). Enfin, outre l'application de pompage décrite ci-avant, la machine est adaptée à de nombreux autres usages tels que: forage et extraction de pétrole, circulation de fluides en canalisa- tions...etc. 9 5 6 1 3 1 5 REV E N D I C A T I O N S 1. Machine hydraulique, du type engendrant une énergie mécanique à partir d'une alimentation en fluide sous pression, caract6- risée en ce qu'elle comprend au moins une chambre de travail (28) dans laquelle est monté rotatif autour d'un axe un rotor cylindrique (42) solidaire d'un arbre de sortie (76) de la machine, la chambre (28) et le rotor (42) définissant ensemble un espace de travail annulaire de largeur variable, et nulle en au moins une ligne de contact entre le rotor et une paroi de la chambre (28), des moyens d'admission (40, 38, 58) ménagés centralement dans le rotor (42), au moins un évidement - radial (56) ménagé dans le rotor et en communication avec les moyens d'admission par son extrémité intérieure, un organe de distribution et de séparation (60) étant monté coulissant radialement dans ledit évidement (56) et étant plaqué par la pression de fluide contre ladite paroi de la chambre (28) pour séparer ledit espace de travail en un premier espace (82) qui est simultanément mis en communication avec les moyens d'admission (40, 38, 58) par découvrement d'un passage de dis- tribution (62) ménagé dans l'organe de distribution et de séparation (60) et en un second espace (84) qui est isolé des moyens d'admission et en communication avec des moyens de sortie de fluide (16, 14), l'accumulation de fluide sous pression dans le premier espace (82) repoussant ledit organe de distribution et de séparation (60) pour ainsi faire tourner le rotor (42), et donc l'arbre de sortie (76), le fluide inerte situé dans la seconde chambre (84) étant simultanément chassé de celle-ci par ledit organe de distribution et de séparation à travers lesdits moyens de sortie. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite chambre de travail (28) comprend un alésage (12) excentré par rapport à l'axe du rotor (42). 3. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les moyens d'admission comprennent un alésage axial (38) ménagé dans un arbre (32) solidaire du rotor (42) et de l'arbre de sortie (76). 4. Machine selon l'une quelconque des revendications chaque 1 à 3, caractérisée en ce que> organe de distribution et de séparation (60) est constitué d'une pluralité de plaques (60a) superposées. - 10 -2561315 5. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le passage de distribution (62) comprend un creusement ménagé dans l'organe de distribution et de séparation (60) et s'étendant entre le fond dudit organe et la partie radialement extérieure de l'une des faces latérales (64) dudit organe. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de chambres de travail superposées (28) abritant chacune un rotor (42), lesdits rotors étant rendus solidaires en rotation au moyen d'un arbre cannelé (32) abritant une partie des moyens d'admission (38), les positions angulaires respectives des organes de distribution et de séparation (60) de chaque rotor (42) étant décalées les unes par rapport aux autres. 7. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite chambre de travail (28) comprend la réunion de deux alésages excentrés par rapport à l'axe du rotor (42), chaque rotor comportant deux organes de distribution et de séparation (60) diim'- tralenent opposés. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens de sortie de fluide comprennent au moins un passage radial (16) ménagé dans la paroi de ladite chambre (28) dans la région de la ligne de contact entre le rotor (42) et ladite paroi. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisée en ce que chaque organe de distribution et de séparation (60) est constitué par un bloc unitaire.