Brevet FR2601067A1 — publié le 19880108

Le brevet 86 OZ 339 concerne un moteur thermique circulaire. L'invention exploite les possibilités de mouvements de rotation de différentes pièces entre elles pour générer des variations de volume sur des débits d'air ou de gaz. Le régime pulsatoire décrit convient parfaitament aux cycles des moteurs ther;niques à deux ou quatre temps. La présente invention reprend la même conception de mouvements de rotation de différentes pièces entre elles, par engendrer maintenant des débits réguliers de fluide avec ou sans variation de volume. L'invention concerne donc une série de machines volumétriques, mo- trices ou réceptrices, véhiculant des débits instantanés de fluide liquide ou gazeux pratiquement constants. Les machines volumétriques existent sous des formes très diverses pompes à palettes, pompes à plateaux, pompes à engrenages ou a vis, com presseurs à pistons, compresseurs types R()OTS, etc... Tbus ces dispositifs présentent à des degrés divers un certain nombre d'inconvénients liés au fait soit que les pièces mécaniques sont animées de mouvements non uniformes soit de générer des variations de débit instantané. Les systèmes à vis sont souvent utilisés car ils ne soulèvent pas ce genre de difficultés mais leur enconFrement reste relativement important. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un type de réalisation. La figure 1 représente deux demi coupes radiales de la machine. La figure 2 montre un disque de face et de profil. La figure 3 donne l'allure d'un barrage du rotor. La figure 4 montre une coupe développée de la section travaillante entre deux dises. La figure 5 présente un agrandissement de l'intérieur d'une fenê- tre. La figure 6 montre une demi coupe de machine avec hauteur variable des barrages. La demi coupe radiale de la machine de la figure la inclut le plan d'un disque et représente ln rotor 1 tournant autour de l'axe 3 par l'in termédiaire de l'arbre 2. Ce rotor comprend des barrages 4 qui traversent le disque 5 par des fenêtres 6. Les huit fenêtres sont identiques et régulièrement disposées. abaque disque 5 tourne autour d'un axe 8 grâce à un arbre 7. certain nombre de disques, on en a supposé ici quatre, dont les plans sont radiaux - ils comprennent l'axe 3 du rotor 1- sont disposés régulièrement autour du rotor. Ils sont tous identiques. on appelera section travaillante le volume engendré par les barrages 4 du rotor au cours de la rotation de ce dernier autour de l'axe 3. Sur la figure la la coupe de la section travaillante correspond à la surface délimitée par les courbes en pointillé 9, 10 et 1l ainsi que le fond 12 du rotor. La courbe 11 est engendrée par ltextrémité inférieure 13 des fenêtees. Sur la figure lb apparaissent en outre une autre partie du stator 26, la paroi 27 du stator en contact avec les barrages 4, ainsi que les conduits 28 et 29 d'arrivée et de sortie du fluide faisant également partie du stator. Le rotor est maintenu en position par l'intermédiaire de paliers butée 16 de type classique reliés à des parties 17 du stator. La figure 2 montre un disque vu de face et de profil. Chaque disque est maintenu en position par l'interméiaire de paliers - butée 14 de type classique fixés sur des parties 15 du stator. La figure 3 montre une partie du rotor avec, pour faciliter la compréhension, un seul des quatre barrages représenté. La géométrie du barrage est définie par la surface enveloppe générée par une courbe génératrice située au niveau des fenêtres des disques dans le mouvement relatif des pièces étant entendu que rotor et disques sont animés de mouvements de rotation uniforme par rapport au stator. La figure 4 montre une coupe cylindrique développée de la section travaillante entre deux disques successifs. Les frontières latérales de la section travaillante sont matérialisées par les droites en pointillé 9 et 10. Afin de simplifier le dessin les barrages 4 sont représentés dans cette coupe par des segments de droite. Le sens de déplacement des barrages induit par la rotation du rotor est donné par la flèche 20. La flèche 23 indique la direction du mouvement du disque sous 1 'effet de sa rotation. Les flèches 21 et 22 donnent le sens de déplacement du fluide respectivement à l'entrée et à la sortie de la veine travaillante. Cette veine travaillante peut être bordée par des parties 18 et 19 du stator. Dans la capacité ainsi créée entre deux disques successifs on appelera barrière un barrage remplissant une quelconque des conditions suivantes: - coupe simultanément les deux disques - coupe le disque 4 et une extrèmité vient s'appuyer sur la par tie 18 - coupe le disque 14 et une extrémité vient s'appuyer sur la partie 19. - les deux extrémités viennent s'appuyer simultanément sur les parties 18 et 19. Au sens de la définition ci-dessus il faut toujours avoir au moins une barrière de manière à isoler en permanence les parties amont et aval du fluide. Dans le cas d'un fluide incompressible il est souhaitable de n ' a- voir qu'une barrière de manière à éviter qu'une certaine quantité de fluide soit prisonnière entre deux barrières car le volume correspondant n'a aucune raison d'une façon générale de rester rigoureusement constant de par la rotation des pièces. Au contraire, pour un fluide compressible il y a intérêt à avoir plus d'une barrière en moyenne de façon que la pression régnant dans le fluide au moment de la rupture de la barrière aval corresponde sensiblement à la pression de sortie du fluide de la machine. Par exemple dans le cas d'un compresseur d'air, il faut que la variation de volume entre le moment où une quantité d' air est prisonnière entre deux barrières et le moment où elle est libérée, ce qui permet de définir un taux de compression volumétrique, combinée à la loi de comportement de l'air qui, dans la pratique, ne devrait pas trop s'écarter d'un comportement du type adiabatique, corresponde au taux de compression demandé à la machine. La variation de volume ci-dessus peut résulter de trois phénomènes qui peuvent se combiner entre eux d'une manière quelconque. En premier lieu un effet centrifuge ou centripète lié au fait que les rayons moyens par rapport à l'axe 3 des faces d'entrée et de sortie de la section travaillante peuvent être différents. En second lieu, il est tout à fait loisible de faire varier la hauteur des barrages, ou, ce qui revient au même la hauteur de la section travaillante entre l'entrée et la sortie. Cette variation de hauteur n'est possible que du coté fond de fenêtre 13 c'est-à-dire sur la surface 11 de la figure 1. I1 est en effet impératif que le fond de rotor 12 corresponde au bord extérieur 25 des disques. En revanche le fond de fenêtre des dis ques peut être partiellement inoccupé dans la mesure ou le stator vient épouser la nouvelle forme 30 donnée à la section travaillante (cf. figure 6). Enfin, en jouant sur la présence et la longueur des pièces statoriques 18 et 19 en bordure des sections travaillantes, on agit directement sur le taux de compression ou de détente de la machine. L'étanchéité est à assurer entre - les barrages et les fenêtres des disques - la bordure 25 des disques et le fond de rotor 12 - la partie supérieure des barrages et le stator. Cette étanchéité peut être obtenue - soit en fonctionnant avec des jeux faibles, dans ce cas les disques sont a entraîner par un système à engrenages - soit en fonctionnant avec des jeux normaux avec lubrification (eau, huile,...) avec ou sans segments. Les disques sont alors entrainés directement par les barrages ou par un système à engrenages. La figure 5 montre une coupe d'une fenêtre 6 avec les points 33 correspondant à la courbe génératrice qui définit la surface des barrages. Les flancs 34 situés de part et d'autre sont ajustés pour éviter les phénomènes d'interférence avec les barrages car les plans tangeants aux bar- rages au point de contact avec la courbe génératrice pivotent légèrement aux cours de la rotation des pièces. Afin que, du fait de la rotation des dises, une partie du débit véhiculé ne retourne de 1 'aval vers l'amont dans les fenêtres des disques, il y a intérêt à isoler les disques de la veine fluide par des pièces 31 liées au stator (cf figure 4), un conduit 32 assurant le bouclage sur chaque disque du circuit afin de recirculer le débit transporté par les fenêtres en dehors de la veine travaillante. Les types de réalisation suivant l'invention sont très nombreux. Dans la description ci-dessus on a supposé les disques plans, les fenêtres rectilignes, le plan des disques passant par l'axe du rotor. Les disques peuvent être en fait des surfaces de révolution tout à fait quelconques. Si on retient une forme tronconique, l'axe du cone et l'axe de rotation 7 étant confondus, l'axe 3 du rotor étant donné, l'axe 7 des disques peut être positionné de manière quelconque ce qui conduit au choix de deux paramètres : la distance entre les axes 3 et 7, l'écart angulaire entre ces deux axes. Trois degrés de liberté supplémentaires résultent du choix de l'angle d'ouverture du cone, de la position axiale du sommet du cone et de la position angulaire du milieu de la section travaillante par rapport à l'axe des disques. Par ailleurs, en supposant les fenêtre planes, leur dimensionnement dépend de 3 paramètres : l'angle du plan dans lequel elles sont situées on les considère ici infiniment étroites - et la position longitudinale des plans orthogonaux à l'axe du cone dans lesquelles sont situées les extrémités. Soit en tout 8 paramètres indépendants auxquels il faut ajouter la largeur de la section travaillante, le nombre de disques Nd, le nombre de fenêtres Nf de chaque disque, le nombre de barrages Nb du rotor. Les vitesses de rotation xa et wu des disques et du rotor sont alors liés par la relation Xd Nf = Xr. qui traduit l'identité de la vitesse de défilement des fenêtres et des barrages. Dans ce qui suit, on supposera que chaque extrémité des barrages du rotor pénètre ou se dégage d'une fenêtre au même instant sur toute la hauteur du barrage. On définit alors le nombre moyen de barrages dans une section radiale du rotor et le nombre moyen t de fenêtres d'un disque dans la section travaillante. I1 y a évidemment identité entre moyennes spatiales et temporelles. En calculant s au niveau d'un disque, on constate que nécessaire ment = = = t puisqutà chaque fenêtre correspond un barrage. Cette valeur de k caractèrise la largeur de la section travaillante. La mesure angulaire G de l'arc couvert par un barrage autour de l'axe du rotor s'en déduit par la formule #.Nb = 2#.k qui traduit la simple définition de Vus de l'axe du rotor, deux disques successifs sont séparés de radians, les extrémités de deux barrages successifs de 3 La paroi laté- rale de section travaillante située entre deux disques se trouve donc, en moyenne, en contact avec K extrémités de barrages avec En l'absence des pièces statoriques 18 et 19, le nombre moyen B de barrières telles que définies antérieurement est donnée par B=k-K Cn peut s'en convaincre par le raisonnement suivant établi pour des valeurs entières de k et K mais qui reste valable lorsqu'on raisonne sur les valeurs moyennes. En effet, on ne peut trouver dans une même capacité, ce terme devant être compris comme la partie de la section travaillante comprise entre deux disques successifs, les deux extrémités d'un même barrage car il y aurait communication entre l'amont et 1 'aval. Les K extrimités de barrages sur un flanc de cellule correspondent à K barrages traversant K fenêtres d'un même disque qui en comprend k. Les K - k fenêtres disponibles correspondent à des barrages qui satisfont à la définition des barrières. Dans le cas d'un fluide incompressible, il y a donc intérêt à retenir k - K = 1 c'est-à-dire k - Nb = 1. Autrement dit, si on se donne Nb, Nd Nd, Nf, il faut choisir une largeur de section travaillante telle que k = 1 + Nb. De par sa définition, k doit être inférieur à Nf et Nb. k k Nf k(Nb Le choix de Nb, Nd, Nf, une fois la géométrie des disques et d'une fenêtre définie ainsi que la position relative des disques par rapport au rotor, ne peut être effectué de manière quelconque. I1 faut vérifier que 1+ Nb Nf Nd 1 + Nb Kd Les conditions ne sont pas suffisantes mais elles permettent de traiter la plupart des cas. fl faudrait en toute rigueur vérifier que les disques ne viennent pas interférer avec les barrages, ce qui peut se produire par exemple si les disques sont des cylindres auquel cas il faut avoir k 2 Les formules ci-dessus peuvent s'adapter facilement a cas où des pièces statoriques 18 et 19 sont mises en place. En appelant d et 0 la longueur d'arc de chacune de ces pièces rapportée à la longueur d'arc sépa rant deux disques successifs - &alpha; = 1 ou P = 1 correspondant alors à l'obstruction complète de la veine fluide - l'application du même raisonnement que ci-dessus conduit à B = k - K + ( &alpha; + ss ) K Les pièces 18 et 19, toutes choses égales par ailleurs, permettent une réduction de k, c'est-à-dire une diitL,.?ution de la largeur de la section travaillante ou une augmentation de K c'est-à-dire une diminution du nombre de disques. I1 est souhaitable toutefois de respecter certaines conditions pour d et o pour les raisons suivantes. Si i = &alpha; = ss = 0 , cest-à-dire en l'absence des pièces statoriques 18 et 19, en première approximation le débit volumétrique aspiré correspond, si B = 1, à l'aire de la section travaillante à laquelle on a retranché la surf ace moyenne correspondant aux fenêtres des disques, multipliée par la vitesse linéaire moyenne des barrages, multipliée par le nombre de disques. Le calcul n'est qu'approximatif car, pour être rigoureux, il faudrait prendre Id fois l'intégrale de la vitesse du rotor calculée sur la section travaillante hors fenêtre. Si B > 1, le débit est plus faible car l'aire de la section travaillante à prendre en compte dans le calcul ci-dessus reste limitée à celle correspondant à K + 1 fenêtres comptées à partir de l'aspiration. Si &alpha; correspond à la pièce statorique située coté aspiration et si }3 l'aire de la section travaillante à prendre en compte pour le calcul du débit aspiré est celle correpondant à (1 - ) K + 1 fenêtres comptées à partir de l'aspiration. Le débit volumétrique refoulé s'obtent de la même manière en con sidérant (1 - ss ) K + 1 fenêtres comptées côté sortie fluide. Le rapport du débit refoulé au débit aspiré donne le rapport de compression volumétrique nominal directelent lié au taux de oompression compte tenu des caractéristiques du fluide véhiculé oe voit donc que l'utilisation de pièces statoriques est particulièrement intéressante pour les fluides compressibles avec ity dans le cas d'un cçmpresseur, )fJ dans le cas inverse d'un moteur pneumatique.Par ailleurs les pièces statoriques peuvent permettre de fermer ou ouvrir côté basse pression les capacités situées entre deux barrages successifs à un moment où la variation du volume de ces capacités est nulle afin de minimiser les pertes de charges. I1 est clair que ces variations de volume sont nulles lorsque les capacités ne sont pas fermées par les disques. Par ailleurs il faut noter que les cas k > , 2 ne permettent plus pour le montage de l'ensemble d'utiliser des pièces monobloc pour le rotor et les disques sauf exception - disques constitués de cylindres tournant autour de leur axe La machine décrite à l'aide des figures correspond au cas Nb = 4, Ed = 4, Nf = 8, k = 2. Les formules ci-dessus conduisent à K = 1. Si = J = O alors B = 1. I1 est clair que les différentes cellules de la machine fonctionnent independemment les unes des autres et peuvent donc de ce fait être isolées. On se trouve alors en présencede Nd systèmes identiques fonctionnant en parallèle. Cette propriété peut être utilisée par exemple pour faire varier le debit en laissant tourner 1 'appareil à vitesse constante. I1 suffit pour cela,en agissant sur des vannes, de laisser tourner en canard le nombre nécessaire de cellules ou de les isoler du fluide ou encore d'en faire travailler un certain nombre en série et non plus en parallèle. Cette même propriété permet également à l'aide d'une seule machine de disposer de plusieurs étages de compression ou de détente en utilisant - - p cellules en parallèle comme premier étage puis p cellules en paral- lèle comme deuxième étage. Les taux de compression peuvent être différents entre les deux étages. n suffit pour cela de jouer sur la longueur de ces cellules ou sur les pièces statoriques 18 ou 19. On peut également suivant le même principe disposer de cellules fonctionnant en compresseur alors que les autres fonctionnent en détendeur. Ce type de machines pourrait être utilisé dans un cycle thermodynamique identique à celui des turbines à gaz en installant une chambre de combustion à pression constante entre la sortie coopresseur et l'entrée détendeur.Par rapport aux turbines à gaz classiques ce dispositif apporte deux avantages appréciables. D'une part le taux de compression reste constant quelle que soit la vitesse de rotation et la puissance de la machine. Ceci signifie que le rendement devrait rester correct aux charges partielles. D' autre part, les pièces tournantes ne seront jamais soumises en permanence à la température des gaz puisque les disques ne travaillent que sur un secteur et que les barrages du rotor passeront alternativement de la partie compresseur zone froide, à la partie détendeur, zone plus chaude. On peut également signaler que la partie compresseur ne serait plus sensible au phénomène de pompage. Cette même machine, sans chambre de combustion, pourrait remplacer les turbo-compresseurs des moteurs thermaques. La même fonction serait également assurée par une machine suivant ltinvention fonctionnant en compresseur et une autre en détendeur mais on ne bénéficierait plus dans ce cas de la réfrigération des parties mobiles les plus chaudes par l'air d'admission. On voit donc que les domaines d'application de l'invention sont très étendus puisqu 'ils concernent toutes les utilisations usuelles des machines volumétriques, et des turbo-machines-canpresseurs d'air, pompes, turbines hydrauliques, turbines à gaz, trubocompresseurs... - REVENDICATIONS 1- Machine volumétrique véhiculant un fluide compressible ou incompressible caractérisé en ce que le débit est assuré par - la rotation uniforme de disques qui sont des pièces de révolution tournant autour de leur axe équipés de fenêtres de forme oblongue, - la rotation uniforme d'un rotor équipé de barrages, - la présence d'un stator assurant l'étanchéité avec la partie supérieure des barrages et le maintien en position du rotor et des disques, étant entendu que - les barrages sont définis par l'enveloppe de la courbe génératrice des fenêtres, courbe au niveau de laquelle est assurée 1 'étanchéité entre ces deux pièces, - l'étanchéité est assurée entre le bord des disques et le fond de rotor sur lequel sont implantés les barrages, - les disques sont entraînés soit par les barrages soit par un moyén extérieur, engrenages par exemple. 2 - Machine suivant revendication 1 caractérisée en ce que les dis- ques sont isolés de la veine fluide en dehors de la section travaillante par des pièces du stator. 3 - Machine suivant revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que l'amont et l'aval du fluide sont séparés en permanence par une barrière et une seule dans chaque cellule. 4 - Machine suivant revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que la hauteur des barrages n'est pas constante. 5 - Machine suivant revendication 1, 2 ou 4 caractérisée en ce que les deux parois latérales de la section travaillante sont placées à des rayons différents du rotor. 6 - Machine suivant revendication 1, 2, 4 ou 5 caractérisée en c que des parties de stator assurent l'étanchéité avec les extrémités des barrages sur une partie des parois latérales des sections traillantes jouxtant les disques, soit côté aspiration, soit côté refoulement, soit des deux côtés. 7 - Machine suivant l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que les débits des cellules sont isolés les uns des autres pour pouvoir réduire le débit volumétrique total en agissant sur un système de vannes assurant soit la recirculation du fluide dans certaines cellules ou leur isolement du fluide soit le fonctionnement en série de différentes cellules. 8 - Machine suivant revendication 1, 2, 4, 5 ou 6 caractérisée en ce que une ou plusieurs cellules fonctionnent en série des autres pour disposer d'au moins deux étages de compression ou de détente. 9 - Machine suivant revendication 1, 2 ou 6 caractérisée en ce que certaines cellules fonctionnent en compresseur les autres en détendeurs en jouant sur l'existence des pièces statoriques 18 ou 19. 10 - Machine suivant revendication 9 comprimant de l'air et déten dant des gaz caractérisée en ce qu'une chambre de combustion à pression constante est installée entre le compresseur et le détendeur.