Brevet FR2730274A1 — publié le 19960809

Moteur à pistons rotatifs et combustion externe. Parmi les moteurs thermiques qui transforment l'énergie thermique fournie par la combustion du carburant en énergie mécanique, il faut distinguer deux grandes classes de moteurs - les moteurs à combustion interne qui fonctionnent suivant le cycle Beau de Rochas (moteurs à essence) ou Diesel. Les différentes étapes du cycle sont réalisées successivement à l'intérieur d'un même cylindre; la compression et la détente sont obtenues par variation de volume a l'aide de pistons animés d'un mouvement alternatif. - les moteurs à flux continu du type turbine à gaz qui fonctionnent le plus souvent suivant le cycle de Joule. Les différentes étapes du cycle sont réalisées successivement dans des modules spécialisés : compresseur axial ou centrifuge, chambre de combustion, turbine axiale ou centripète. - les moteurs à combustion interne à essence et Diesel sont lourds et encombrants, inconvénient grave mais généralement acceptable pour les applications terrestres ou aéronautiques de faible puissance. ( Les moteurs Diesel peuvent atteindre des consommations spécifiques de l'ordre de 200g/KWh. D'autre part, la combustion n'étant pas stabilisée, il y a une production notable de polluants, notamment au ralenti Des perfectionnements aux moteurs à combustion interne ont été proposés pour réduire l'encombrement et la masse, il s'agit d'une part des pistons rotatifs, d'autre part de la suralimentation. Les pistons rotatifs permettent en effet de doubler le nombre de cycles par tour, de supprimer le système de distribution par soupapes, de réduire la résultante des efforts des gaz sur les pistons, enfin d'obtenir un équilibrage parfait des masses en mouvement. A l'exception du moteur Wankel, aucune de ces propositions n'a été développée. Quant au moteur Wankel, il n'a pas reçu le succès escompté à cause du problème de l'étanchéité entre le rotor triangulaire et le carter extérieur de forme complexe, qui n'a jamais été parfaitement résolu. La technique de la suralimentation est fréquemment utilisée de nos jours pour augmenter la puissance d'un moteur à combustion interne sans augmenter sa cylindrée. Le rapport du volume maximal au volume minimal du cylindre étant fixé par la compression, la détente des gaz brûlés à l'échappement n'est pas complète, on peut récupérer cette énergie sur une turbine qui entraîne un compresseur afin d'augmenter la pression de l'air à l'admission dans le cylindre. Cet air comprimé peut être en outre refroidi dans un échangeur air- eau ou air-air pour augmenter encore le remplissage et donc la puissance.En suralimentation classique, le taux de suralimentation des moteurs Diesel est limité à 2,7 environ, d'une part par les charges thermiques et les efforts sur les pistons, d'autre part par les conditions de démarrage et de fonctionnement au ralenti. Pour aller au delà, il faut utiliser des procédés particuliers tels que le procédé SEMT-PIELSTICK ou le procédé HYPERBAR. - Les moteurs à flux continu du type turbine à gaz ont sur les autres l'avantage de la légèreté, en ce qui les fait généralement préférer pour les applications aéronautiques turbomoteurs d'hélicoptères, turbopropulseurs, turboréacteurs. Outre la légèreté, les turbines à gaz ont l'avantage d'être moins polluantes que les moteurs à combustion interne car la combustion est stabilisée dans une chambre de combustion spécialement aménagée pour obtenir d'excellents rendements et une faible pollution à tous les régimes. La consommation spécifique peut atteindre le niveau des moteurs Diesel, mais uniquement dans les très grandes puissances (quelques dizaines de MW). Dès que la taille des turbines à gaz diminue, le cycle ne peut pas être optimisé à cause des limitations en dimension des aubages. les rendements élémentaires se détériorent et la consommation spécifique augmente (-250g/KWh vers 1 MW). Dans les très faibles puissances ( La supériorité en consommation spécifique des moteurs à combustion interne résulte des constatations suivantes d'où découle l'invention. - La compression et la détente par variation de volume s'effectue avec un rendement proche de l'unité quelle que soit la taille du moteur alors que dans une turbine à gaz. les rendements de compression et de détente sont notablement inférieurs à l'unité et ce d'autant plus que la taille du moteur est faible. - La température maximale du cycle peut être très élevée et pratiquement proche de la température de combustion stoechiométrique car ces hautes températures ne sont obtenues que pendant une faible fraction de la durée totale du cycle. Les pièces en contact avec les gaz n'ont donc pas le temps de s'échauffer et prendraient, même en l'absence de refroidissement une température beaucoup plus faible égale à la moyenne pondérée en temps de l'ensemble des températures du cycle. Dans les turbines à gaz au contraire, les parties chaudes du moteur (chambre de combustion, turbines) sont soumises en permanence aux températures les plus élevées, du cycle, ce qui limite d'une part la température maximale du cycle et nécessite d'autre part l'emploi de matériaux nobles et l'utilisation de techniques de refroidissement de la turbine sophistiquées, irréalisables pour les moteurs de petite taille. Le but de l'invention est de proposer une troisième classe de moteurs, optimisée pour les faibles et moyennes puissances ( - La combustion est stabilisée à pression constante dans une chambre de combustion fixe dans l'espace comme dans les turbines à gaz. La chambre de combustion est organisée pour obtenir d'excellents rendements de combustion, un faible niveau de pollution à tous les régimes, de bonnes caractéristiques de stabilité et d'allumage par l'utilisation des technologies spécifiques aux turbines à gaz. - La compression et la détente sont réalisées par variation de volume à l'aide de pistons alternatifs afin de bénéficier de rendements proches de l'unité et de températures maximales de cycle élevées, proches du niveau stoéchiométrique compte tenu du débit de refroidissement du tube à flamme, en conservant la rusticité des technologies utilisées dans les moteurs à pistons. - Les différentes phases du cycle sont les suivantes : aspiration d'air frais, compression de l'air et transfert à l'entrée de la chambre de combustion, combustion dans la chambre de combustion, aspiration des gaz brûlés à la sortie de la chambre de combustion et détente, échappement des gaz brûlés. - La chambre de combustion étant fixe dans l'espace, les quatre phases admission, compression, détente, échappement doivent s'effectuer successivement en des positions angulaires précises par rapport au carter extérieur fixe de façon qu'il y ait toujours coïncidence : avec les orifices d'admission et d'échappement pour les phases d'admission et d'échappement, avec les orifices d'entrée et de sortie de la chambre de combustion pour les phases compression et détente. II faut donc respecter la périodicité dans le temps et dans l'espace pour les quatre phases. - La disposition la plus simple et la plus avantageuse pour respecter ces impératifs consiste à utiliser quatre pistons rotatifs reliés diamétralement entre eux pour former deux paires. Chaque paire de pistons est animée d'un mouvement général de rotation autour de l'axe du moteur et d'un mouvement d'oscillation alternatif. Les quatre pistons ménagent ainsi entre eux quatre volumes variables symétriques deux à deux par rapport à l'axe de rotation. Cette disposition est avantageuse car elle permet: - de réduire le volume général du moteur puisqu'il y a compensation entre l'augmentation de volume des phases d'admission et de détente et la diminution de volume des phases de compression et d'échappement. - de réduire les efforts sur les pistons et l'embiellage puisque seule la résultante des efforts est à prendre en compte. - d'obtenir un équilibrage parfait des masses en mouvement. Le moteur conçu selon l'invention apporte par rapport aux moteurs existants de faible et moyenne puissance les avantages suivants: - une réduction de la pollution grâce à la stabilisation de la combustion dans une chambre de combustion fixe. II est possible en outre d'utiliser des carburants peu coûteux (fuel ou Kerosène). - une réduction de la consommation spécifique par l'optimisation du cycle en pression, température, rendements de compression et de détente, l'amélioration des rendements de combustion, la réduction des pertes thermiques ( moteur adiabatique) et mécaniques. - une réduction du bruit par la suppression du système de distribution par soupapes, I'absence d'efforts aérodynamiques violents générateurs de bruit ( combustion à pression constante ), l'équilibrage parfait des pièces en mouvement. - une réduction de l'encombrement et de la masse par la conception à pistons rotatifs, la possibilité de faire de la haute suralimentation sans limitation par les conditions de démarrage, la possibilité d'utiliser ce moteur comme générateur de gaz pour un turbomoteur, un turbopropulseur ou un turboréacteur. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés. - la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique montrant le principe de fonctionnement du moteur rotatif selon l'invention. - la figure 2 est une vue simplifiée en coupe longitudinale d'un mode de réalisation du moteur rotatif suivant l'invention; ; chaque sous ensemble étant ramené dans le même plan. - la figure 3 est une vue simplifiée en coupe transversale du système de liaison entre les disques et arbres liés aux pistons et les moyens de transmission de puissance. - la figure 4 est une vue simplifiée en coupe transversale du système de transmission de la puissance des vilebrequins extérieurs au vilebrequin central. - la figure 5 est un schéma de principe de l'association du moteur rotatif selon l'invention et d'un système de suralimentation avec refroidisseur intermédiaire. - la figure 6 est un schéma de principe du moteur rotatif selon l'invention fonctionnant en générateur de gaz pour la turbine de puissance d'un turbomoteur ou turbopropulseur. - la figure 7 est un schéma du principe du moteur rotatif selon l'invention fonctionnant en générateur de gaz dans un turboréacteur à deux flux séparés. Sur les figures 1 et 2, on a représenté un moteur à pistons rotatifs et combustion externe suivant l'invention qui comporte un carter 1 extérieur fixe limitant extérieurement un espace annulaire à l'intérieur duquel vont se déplacer les pistons et servant de support au rotor principal 2 et à la chambre de combustion 3. Le carter est représenté en un seul élément sur les dessins, dans un but de simplification, mais bien entendu, il comporte le nombre d'éléments nécessaires pour permettre le montage. La chambre de combustion 3 se compose d'un carter extérieur de chambre 31 fixé sur le carter 1 et dimensionné pour résister à la pression maximale du cycle, un tube à flamme 30 refroidi par films d'air, un système d'injection de carburant 32. Les technologies de la chambre de combustion sont celles couramment utilisées dans les turbines à gaz. Le carter 1 dans sa partie périphérique annulaire qui contient les pistons rotatifs présente quatre ouvertures:10 pour l'admission d'air de l'extérieur dans le rotor, 11 pour le transfert de l'air comprimé du rotor vers l'entrée de la chambre de combustion, 12 pour le transfert des gaz brûlés de la chambre de combustion vers le rotor, 13 pour l'échappement des gaz brûlés du rotor vers l'extérieur. Le rotor 2 constitue la structure principale du rotor . II est composé de quatre disques 20, 21, 22, 23, dimensionnés pour résister aux efforts centrifuges dûs à leur propre masse et à la masse des autres pièces qu'ils supportent. Les disques sont reliés entre eux par des entretoises telles que 24 destinées à assurer la solidarisation des disques entre eux et la rigidité longitudinale du rotor. Le rotor principal se prolonge de part et d'autre par deux demi arbres 25, 26 qui servent de support à l'ensemble du rotor sur le carter fixe 1 par l'intermédiaire de deux roulements à billes. Le rotor principal 2 tourne à un régime de rotation supposé uniforme à la vitesse N1 dans le sens de la flèche F. Le rotor supporte deux sous ensembles montés coaxialement sur le demi arbre 25 et animés en plus du mouvement général de rotation N1 d'un mouvement alternatif. Chacun de ces sous ensembles comprend un disque 4 - 5 sur lequel est montée une paire de pistons diamétralement opposés 40 et 40 A ,50 et 50 A, un arbre de transmission du couple 41 51, un maneton 42 - 52. Les disques 4 et 5 limitent intérieurement l'espace annulaire à l'intérieur duquel vont se déplacer les pistons. Ils assurent l'étanchéité entre eux dans le plan de symétrie transversal des pistons par une surface plane qui peut être facilement usinee pour assurer un jeu minimum, ainsi que l'étanchéité avec le carter fixe 1 par une surface cylindrique de révolution autour de l'axe du moteur, ce qui permet également d'assurer un jeu minimum et l'installation de joints d'étanchéité. L'espace annulaire de révolution autour de l'axe moteur peut présenter une section méridienne circulaire comme indiqué sur la figure 2, ce qui permet d'utiliser des segments d'étanchéité classiques, ou une section de forme quelconque. Le jeu entre piston et cylindre étant constant on peut choisir des formes faciles à usiner permettant d'assurer un jeu minimum. Les faces radiales 6 - 7 par exemple de 2 pistons adjacents délimitent entre elles des espaces 80 - 81 -82 - 83 à volume variable qui correspondent aux quatre phases du cycle. Contrairement au cas des moteurs à combustion interne, le volume minimum est nul. Dans la pratique, on assurera un jeu minimum pour éviter un contact entre les pistons. Le taux de compression volumétrique est réglé par le rapport entre le volume maximum à l'admission 80 et le volume de l'air comprimé 81 au moment ou il commence à pénétrer dans la chambre de combustion par l'ouverture 11 ; ce volume 81 continue ensuite à décroître jusqu'à s'annuler et chasser l'air comprimé dans la chambre de combustion. La figure 1 représente justement les deux paires de pistons en position extrême : le volume 80 est maximum et contient de l'air frais à la pression d'admission, les volumes 81 et 83 sont nuls, le volume 82 est maximum et contient des gaz brûlés détendus. Le plan de contact entre les pistons 40 et 50 sépare les ouvertures 11 et 12 d'entrée et de sortie de la chambre. Quand le rotor 2 continue à tourner dans le sens de la flèche F pour faire un quart de tour, le volume 81 va augmenter. aspirer des gaz brûlés par l'ouverture 12, détendre les gaz jusqu'à la position 82. Symétriquement le volume 83 va augmenter pour aspirer de l'air frais jusqu'à la position 80. Les volumes 80 et 82 vont diminuer et s'annuler pour comprimer l'air et l'introduire dans la chambre ou chasser les gaz brûlés. On a ainsi effectué un cycle complet. On remarquera qu'il y a un léger décalage dans le temps entre l'entrée de l'air comprimé dans la chambre par l'ouverture 11 et l'aspiration des gaz brûlés par l'ouverture 12. 11 en résulte une fluctuation de pression dans la chambre de combustion (surpression suivie d'une dépression) de fréquence 4N1 (t/mn). 60 Ces fluctuations peuvent être rendues aussi faibles que l'on veut par le choix de la longueur et du volume du carter de chambre. La résultante des efforts de pression exercés sur les quatre faces de deux pistons opposés change de sens à chaque quart de tour, ce qui provoque l'oscillation des pistons. Le couple résultant est transmis par les disques 4 - 5, les arbres 41 - 51 aux manetons 42 - 52. Le mouvement d'oscillation de chaque maneton 42 - 52 est transformé par un système bielle 43 - 53 manivelle 44 - 54 en mouvement de rotation continu au régime N2 de deux arbres 45 - 55 diamétralement opposés. Le système articulé du type à trois barres constitué par les manetons 42 - 52, les bielles 43 - 53 et les manetons 44 - 54 (figure 3) est dimensionné de telle sorte que la rotation complète des manetons 44 - 54 autour de leur axe 45 - 55 entraîne un mouvement alternatif d'oscillation des manetons 42 - 52 et donc des pistons entre leurs positions extrêmes. Dans le mouvement général de rotation de l'ensemble mobile 2 au régime N1, à chaque demi tour de l'ensemble il y a une oscillation complète des pistons et donc rotation complète des arbres 45 - 55, le rapport N21N1 doit donc être égal à 2. Les arbres 45 - 55 sont synchronisés entre eux par un double entrainement bielle manivelle représenté sur la figure 4. Les arbres 45 et 55 sont reliés par les manetons 46 - 56 et les bielles 47 - 57 aux manetons 28A et 28B du villebrequin central 27. Les trois arbres 45 - 55 et 27 tournent donc dans le même sens et au même régime N2, les masses en mouvement étant rigoureusement symétriques par rapport à l'axe de rotation du moteur. La synchronisation du mouvement du rotor par rapport au carter fixe et la relation N2 5 2N1 sont assurées par un double train d'engrenages. L'arbre central 27 qui tourne au régime N2 entraine par un premier train d'engrenages 29A - 9A un arbre 9 monté sur le carter fixe 1 au régime N1, le rapport des nombres de dents entre 9A et 29A étant égal à deux. L'arbre 9 entraine également au régime N1 le pignon 9B qui engrène avec le pignon 29B monté solidaire du rotor 2, les pignons 9B et 29B ayant le même nombre de dents. L'intêret principal de cette disposition constructive et de filtrer les irrégularités du couple qui risqueraient de déteriorer les engrenages grâce à l'interposition de systèmes bielle manivelle plus tolérants et à l'inertie du rotor. La puissance mécanique produite par le moteur peut être recueillie soit sur le rotor principal 2 au régime Ni, soit sur l'arbre 27 au régime N2 = 2N1. Le démarrage s'effectue comme sur une turbine à gaz par entrainement du rotor par le démarreur (non représenté) à vitesse croissante jusqu'à ce que le taux de compression obtenu soit suffisant pour obtenir l'allumage de la chambre par une bougie d'allumage et l'accélération du rotor jusqu'au régime ralenti. Ce moteur peut être suralimenté par un turbocompresseur, il est alors rigoureusement équivalent sur le plan thermodynamique à une turbine à gaz. La figure 5 montre justement l'association d'un moteur M selon l'invention avec un turbo compresseur constitué d'un compresseur C qui augmente la pression de l'air à l'admission, entrainé mécaniquement par une turbine T qui détend les gaz d'échappement jusqu'à la pression ambiante. l'air comprimé peut éventuellement être refroidi par le refroidisseur R avant l'admission dans le moteur. Compte tenu des conditions d'allumage très favorables de la chambre de combustion, il est possible de faire sans difficulté de la très haute suralimentation ( rapport de pression très supérieur à 3). II est également possible sans autre modification de la configuration du moteur que les adaptations accessibles à l'homme de l'art d'utiliser le moteur selon l'invention comme générateur de gaz haute préssion d'un turbomoteur ou d'un turboréacteur ainsi qu'il est indiqué sur les figures 6 et 7. Sur la figure 6, le moteur M selon l'invention constitue le corps haute pression d'une turbine à gaz. Le corps basse pression comprend un compresseur C de gavage entrainé mécaniquement par la turbine basse presssion T1 disposée sur le circuit d'échappement du moteur M. La totalité de la puissance mécanique produite est recueillie sur la turbine de puissance T2 placée en aval de Ti sur le circuit d'échappement. Sur la figure 7, le moteur M selon l'invention constitue le corps haute pression d'un turboréacteur double flux triple corps. Le corps basse pression comprend un compresseur F entrainé mécaniquement par la turbine T2. A la sortie du compresseur F l'air comprimé se sépare en deux flux. Le flux secondaire ( en pointillé) est éjécté directement par la tuyère secondaire. Le flux primaire passe dans le compresseur moyenne pression C entrainé mécaniquement par la turbine T1 avant de pénétrer dans le moteur M. Les gaz d'échappement traversent les turbines T1 et T2 avant éjéction par la tuyère primaire. Les arbres de liaison entre le compresseur F d'une part et la turbine T2, le compresseur C et la turbine T1 d'autre part sont coaxiaux. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositions qui viennent d'être décrites sans sortir du cadre de l'invention en particulier: - on peut remplacer la liaison par bielle manivelle entre les arbres exterieurs 45-55 et l'arbre interieur 27 par des engrenages. - compte tenu de la configuration choisie pour assurer la relation N2 = 2N1, le rotor principal 2 tourne dans le même sens que les arbres 45-55-27 mais on pourrait assurer la même relation N2 = 2N1 par un système équivalent différent ou le rotor 2 tournerait en sens inverse des arbres 45-55-27. - il peut y avoir un décalage angulaire ou non entre les manetons 44-46 de l'arbre 45, 54-56 de l'arbre 55. - I'utilisation du moteur selon l'invention comme corps haute pression d'une turbine à gaz est transposable pour toutes les applications des turbines à gaz. REVENDICATIONS 1) Moteur à pistons rotatifs et combustion externe, comprenant un carter fixe (1) délimitant un espace annulaire à l'interieur duquel se déplacent des pistons (40, 40A, 50, 50A ) fixés diamétralement opposés par paire sur deux disques (4.5 ) reliés à des arbres coaxiaux (41.51) et animés à la fois d'un mouvement géneral de rotation à la vitesse N1 et d'un mouvement alternatif engendrant une variation de volume cyclique des espaces (80, 81, 82, 83 ) délimités par les faces radiales 6-7 de deux pistons adjacents, le carter exterieur fixe (1), les deux disques mobiles (4,5); les dits espaces variables permettant de réaliser à chaque quart de tour du rotor (2) I'aspiration d'un volume d'air, sa compression et son refoulement dans une chambre de combustion (3) fixe dans l'espace ou la combustion est stabilisée dans un tube à flamme 30 et alimentée en permanence en carburant, l'aspiration des gaz brulés à la sortie de la chambre et leur détente, l'échappement des gaz brulés, le couple alternatif résultant sur chaque paire de pistons étant ensuite transmis par les disques (4,5) les arbres (41,51) aux manetons (42.52) et transformé en mouvement continu de rotation à la vitesse N2 des arbres (45,55) diamétralement opposés par les systèmes bielles (43,53) manivelles (44,54). 2) Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les arbres (45,55) montés diamétralement opposés sur le rotor (2) sont reliés chacun avec un arbre (27) tournant au même régime N2 par leurs manetons (46,56), les bielles (47,57), les manetons (28A,28B) de l'arbre central 27 de sorte que la relation N2= 2N1 est assurée d'abord par un premier train d'engrenages (29A,9A) de rapport 2 entre l'arbre 27, au régime N2 et un arbre intermédiaire 9 au régime Ni, puis par un second train d'engrenages (9B,29B) de rapport 1 entre l'arbre 9 et le rotor 2 au même régime N1. 3) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de combustion est montée fixe par son carter 31 sur le carter fiXe 1, lequel est muni de quatre ouvertures permettant l'aspiration d'air de l'exterieur dans le rotor (10), le passage de l'air comprimé du rotor vers l'entrée de la chambre de combustion (11), I'aspiration de la sortie chambre vers le rotor (12),1'échappement des gaz brulés vers l'exterieur 13 ; les quatre phases aspiration, compression, détente, échappement étant réalisés simultanément dans quatre espaces à volume variable du rotor 2 à chaque quart de tour. 4) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les disques (4 et 5), porteurs chacun d'une paire de pistons (40,40A,50,50A) diamétralement opposés et animés de mouvements alternatifs en opposition de phase sont montés coaxialement sur le demi arbre 25 du rotor principal 2, le glissement relatif entre les disques 5 et 6 s'éffectuant suivant un plan de joint perpendiculaire à l'axe de rotation avec un jeu réduit et/ou des organes d'étanchéité. 5) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le glissement entre les disques mobiles (5,6) et le carter fixe 1 s'éffectue suivant une surface cylindrique de révolution autour de l'axe moteur , l'étanchéité étant assurée par un jeu réduit et des organes d'étanchéité. 6) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le jeu entre pistons mobiles et carter fixe (1) est constant au cours de la rotation de sorte que l'étanchéité est assurée par un jeu réduit et/ou des organes d'étanchéité. 7) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il peut être couplé avec une turbine de détente des gaz d'échappement entrainant mécaniquement un compresseur de gavage à l'admission avec un taux de suralimentation largement superieur à trois. 8) Moteur selon les revendications 1 et 7 caractérisé en ce qu'il peut servir de corps haute pression pour un turbomoteur, la totalité de la puissance mécanique fournie étant alors recueillie sur une turbine de puissance par détente des gaz d'échappement. 9) Moteur selon les revendications 1, 7 et 8 caractérisé en ce qu'il peut servir de corps haute pression pour un turboréacteur monoflux ou double flux.