Brevet FR2822894A1 — publié le 20021004

La présente invention concerne un mécanisme de moteur rotatif. Un moteur classique à pistons, bielles et vilebrequin, est de structure relativement complexe et présente un rendement limité, du fait, en particulier, qu'il ne produit sa force motrice que de façon discontinue pendant la durée d'un cycle complet de fonctionnement. Le document FR 2 792 364 enseigne un moteur rotatif à ailettes, pour produire une force motrice de façon plus continue. Il comporte une pièce centrale, à section circulaire, logée dans une autre pièce à section en forme d'escargot. L'une quelconque des deux pièces constitue un stator et l'autre un rotor, dont l'axe géométrique de la pièce centrale constitue l'axe de rotation. Le stator porte une pluralité d'ailettes qui glissent radialement de façon étanche dans une pluralité correspondante de puits du stator. Les ailettes, rappelées en butée contre le rotor, forment des cloisons entre chambres et leur rotation fait évoluer leur longueur utile, c'est-à-dire la distance entre la pièce centrale, circulaire, et la surface, en escargot, du logement. Les volumes des chambres varient progressivement dans le même sens, ce qui permet de fournir un couple moteur par détente d'un gaz sous pression ou encore, par rotation de sens opposé, de comprimer du gaz. La présente invention vise à proposer une autre solution pour fournir un mécanisme du type ci-dessus, ayant une constitution relativement simple. A cet effet, l'invention concerne un mécanisme de moteur rotatif comportant un stator comprenant un logement de section circulaire, autour d'un axe géométrique, dans lequel est montée une pluralité d'ailettes de cloisonnement solidaires en rotation d'un rotor, monté sur le stator par des moyens de palier de rotation autour d'un axe mécanique, pour former une pluralité correspondante de chambres élémentaires de réception d'un gaz comprimé, caractérisé par le fait que l'axe mécanique des moyens de palier est décalé par rapport à l'axe géométrique du logement, le rotor est percé d'une pluralité de puits de coulissement des ailettes et il est prévu des moyens de maintien d'une extrémité de chaque ailette contre la surface interne du logement. Le rotor, de forme quelconque, a nécessairement un rayon ou encombrement radial maximal qui est inférieur au rayon du logement, puisque les deux axes sont décalés. De ce fait, l'espace radial entre le rotor et la paroi du logement est minimal, voire nul, du côté de déport de l'axe mécanique, alors que, du côté opposé, l'espace radial est maximal. On conçoit donc qu'il est alors facile de prévoir, pour la section radiale du rotor, une forme telle que le volume des chambres croisse le long d'un demicercle de périphérie, ou secteur angulaire, du logement et décroisse ensuite. On peut ainsi utiliser le secteur angulaire à croissance de volume pour détendre de gaz comprimé, moteur, qu'on libère en fin du secteur. On peut au contraire utiliser le secteur opposé pour comprimer le gaz. Lors de leur rotation, les ailettes sont radialement fixes par rapport au logement, ce qui facilite la résolution du problème d'étanchéité et évite les efforts mécaniques avec l'usure associée. C'est donc le rotor qui monte et descend radialement par rapport aux ailettes, ce qui ne pose pas de problème puisque ces deux éléments tournent ensemble. Le rotor produit ainsi une sorte de flux de marée montante et descendante qui produit la variation voulue de volume du gaz. En d'autres termes, le rotor coopère avec les ailettes par sa vitesse ou dynamique radiale de phase par rapport à celles-ci, phase due au décalage d'axe, qui est d'un ordre de grandeur inférieure à la vitesse linéaire périphérique des ailettes, et ainsi cette dernière n'intervient pas dans le problème mécanique ci-dessus. On comprendra que le mécanisme de moteur rotatif revendiqué peut tout aussi t bien être un moteur, destiné à fournir une puissance motrice à un appareil externe, qu'un compresseur destiné à transmettre en interne, à un gaz à comprimer, une énergie mécanique reçue. Avantageusement, le rotor présente une section en anneau sensiblement circulaire et les moyens de maintien des ailettes comportent un moyeu d'appui des extrémités des ailettes opposées à celles en contact avec la paroi du logement, centré sur l'axe géométrique du logement. ZD Ainsi, les ailettes sont bloquées radialement entre deux surfaces concentriques, si bien que l'étanchéité des chambres élémentaires est facile à maintenir. Pour alimenter les chambres élémentaires en gaz comprimé d'entraînement, le logement comporte avantageusement un renfoncement de transfert du gaz entre une chambre de combustion et les chambres élémentaires, la chambre de combustion étant alimentée en air comprimé par une série de compresseurs entraînés par, ou couplé à, des turbines entraînées par du gaz provenant d'une première tubulure d'échappement du logement sensiblement diamétralement opposée à la chambre de combustion, avec de préférence une deuxième tubulure, de sortie basse pression, prévue angulairement en aval de la première tubulure et en amont de la chambre de combustion. On recycle ainsi une partie de l'énergie du gaz détendu. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation particulière du mécanisme à moteur rotatif de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel : la figure 1 en est une vue en coupe radiale et la figure 2 en est une vue en coupe axiale. Le mécanisme représenté appartient ici à un moteur thermique de fourniture d'un couple mécanique entraînant une génératrice de courant alternatif. Le moteur, alimenté par deux jeux opposés en V de trois cylindres à deux temps, fonctionne selon quatre cycles, respectivement d'admission, de compression, de travail moteur par détente et d'échappement. On s'intéressera d'abord au troisième cycle, pour décrire les particularités mécaniques de l'invention. Comme le montre la figure 1, le mécanisme comporte un bâti de stator ou bloc moteur 26, comportant un logement 36 dans lequel est monté un rotor 18. Le logement 36 présente une paroi interne à section de forme sensiblement circulaire, autour d'un axe géométrique 50 perpendiculaire au plan de la figure 1. Le rotor 18, dont l'encombrement radial est inférieur au diamètre du logement 36, présente dans cet exemple une section dont la surface externe, opposée à la paroi du logement 36, est circulaire. Précisément ici, le rotor 18 a une section radiale formant un anneau, avec une surface interne parallèle à sa surface externe. D'une façon générale, la section radiale des diverses pièces mécaniques liées à la rotation du rotor 18 peut varier selon la position axiale de cette section dans la pièce considérée, c'est-à-dire que le rotor 18 et le logement 36 peuvent par exemple être coniques. Pour la simplicité de l'exposé, on suppose ici qu'ils sont cylindriques. Le rotor 18 présente un axe géométrique 40, qui est aussi son axe mécanique de rotation, parallèle à l'axe 50 du logement 36 mais décalé radialement de celui-ci (voir aussi fig. 2). Le rotor 18 forme une sorte de couronne comportant une pluralité de puits radiaux 39, ici dix-huit, de coulissement radial, avec étanchéité, d'une pluralité correspondante d'ailettes ou palettes de cloisonnement angulaire 19 s'étendant radialement et régulièrement réparties angulairement. Chaque ailette 19 est en appui, par son extrémité tournée vers l'extérieur, contre la paroi du logement 36, sous l'effet d'éléments de maintien empêchant tout recul des ailettes 19 vers l'intérieur du logement 36. Dans cet exemple, ces éléments de maintien comportent une pièce tubulaire 14 à surface externe circulaire constituant une sorte de moyeu ou came d'appui des ailettes 19, parallèle, ou concentrique, à la paroi du logement 36. La pièce d'appui 14 pourrait être flottante par rapport au stator 26, puisqu'elle constitue une cale interne entourée par les ailettes 19 qui, réciproquement, la bloquent radialement par leur appui sur la cale externe de confinement que constitue la paroi du logement 36. Toutefois, dans cet exemple, la pièce d'appui 14 est montée rotative sur deux paliers 15 à roulement à billes 32 portés par le stator 26 (voir aussi fig. 2). On limite ainsi le risque de vibrations parasites. Les puits 39 représentent donc des fentes à étendue radiale et axiale permettant aux ailettes 19 de traverser le rotor 18 pour rester en appui sur le moyeu 14. Le rotor 18 est de même porté par deux paliers opposés 33 (fig. 2) du stator 26, mais décalés radialement par rapport à l'axe géométrique 50. Précisément, la surface extérieure du rotor 18 est sensiblement tangente à la paroi interne du logement 36, c'est- à-dire que les ailettes 19 occupent alors une position rentrée dans le rotor 18, comme illustré en partie supérieure gauche de la figure 1. Exprimé autrement, la surface externe du rotor 18 est montée radialement et noie les ailettes 19. Dans la partie radialement opposée, les ailettes 19 occupent au contraire une position de sortie maximale. La surface du rotor 18 produit ainsi, à chaque tour, un flux montant de réduction de volume des chambres élémentaires 13 et un flux descendant selon la vitesse de phase évoquée au début, avec un déphasage de retard de 20 degrés d'une chambre élémentaire 13 à la suivante. La figure 2, en coupe contenant les deux axes 40 et 50, illustre bien le décalage, ici vers la gauche, de l'axe mécanique 40 du rotor 18 par rapport à l'axe géométrique 50 du logement 36. Le rotor 18 constitue ainsi une came ou chaîne étanche d'entraînement, ici menée par les ailettes motrices 19, chaîne excentrique (40) par rapport au centre (50) du volume de logement 36 offert. Les ailettes 19 effectuent un pontage étanche entre la paroi interne du logement 36 et le moyeu 14 parallèle à cette paroi. Dans cet exemple, les puits 39, à garnitures d'étanchéité 27 pour les ailettes 19 et à roulement d'étanchéité 28, sont dirigés vers l'axe mécanique 40 et ne présentent sensiblement pas de jeu qui permette aux ailettes 19 de pivoter légèrement dans le plan de la figure 1 pour s'orienter éventuellement vers l'axe géométrique 50. De ce fait, les ailettes 19 sont toutes orientées vers l'axe mécanique 40 et seules celles des deux secteurs évoqués plus haut, à distance minimale ou maximale entre le rotor 18 et la paroi interne du logement 36, sont aussi orientées vers l'axe géométrique 50. Les autres ailettes 19, des secteurs en haut à droite et en bas à gauche de la figure 1, en quadrature c avec le plan des deux axes 40 et 50, sont donc inclinées sur le rayon partant de l'axe géométrique 50 et passant par leur point d'appui sur le moyeu 14. Les ailettes 19 présentent, en coupe radiale, une forme arrondie à l'une de leurs extrémités, ici radialement externe, pour conserver la longueur radiale voulue lors de leur léger pivotement relatif par rapport à la normale locale au moyeu 14, c'est-à-dire pour rester en appui sur leurs deux extrémités radiales, interne et externe, sur la paroi du logement 36, avec étanchéité, et sur le moyeu 14, sans toutefois risquer un coincement. En outre, l'extrémité externe de chaque ailette 19 comporte ici une garniture 17 de glissement, ou racleur, et d'étanchéité avec la paroi interne du logement 36. Un secteur du logement 36 comporte un renfoncement ou cavité 30, présentant une distance accrue à l'axe 50, pour former une chambre de combustion d'un mélange d'air et de carburant tel que fouel ou GPL. La chambre de combustion 30 forme un ensemble fonctionnel avec une cavité 12 de moindre profondeur, de transfert de gaz brûlé sous pression, qui la prolonge circonférentiellement en aval pour la coupler à quelques chambres élémentaires 13. L'ensemble 12,30 est situé dans le secteur pour lequel le rotor 18 est sensiblement tangent à la paroi interne du logement 36, si bien que le rotor 18 et les extrémités des ailettes 19 rentrées constituent une paroi de fermeture de la cavité 12. Sur la figure 1, le rotor 18 tourne dans le sens horaire et l'on peut voir que la chambre de combustion 30 est fermée, dans la direction circonférentielle, par deux ailettes 19 respectivement en amont et en aval de la cavité 12 communicant avec la chambre de combustion 30. Deux ailettes 19, en positions intermédiaires, sont en regard de la cavité 12 mais ne l'obturent pas puisqu'elles sont uniquement en appui sur le moyeu 14, sans moyen de rappel radial élastique vers l'extérieur, leurs extrémités externes restant donc au niveau de la surface du rotor 18. En variante, en cas de présence d'éléments de rappel des ailettes 19 vers la paroi du logement 36, une limitation de course radiale peut être prévue. En partant de la chambre de combustion 30, dans le sens horaire, les ailettes 19 délimitent une série de chambres élémentaires étanches 13 dont le volume est croissant sur un demi-cercle jusqu'à une tubulure 5 d'échappement des gaz brûlés, sensiblement diamétralement opposée à la chambre de combustion 30, puis décroissant sur le demicercle du logement 36 opposé à celui évoqué ci-dessus. Comme on l'aura compris, l'étanchéité axiale des chambres élémentaires 13 est assurée au niveau des deux parois d'extrémité du logement 36. La tubulure 5 alimente une turbine 3 d'entraînement d'un compresseur d'air 2, relié à une tubulure 1 d'entrée de l'air atmosphérique, pour l'alimentation de la chambre de combustion 30, comme expliqué plus loin. Chaque chambre élémentaire 13 a globalement une forme de trapèze à flancs curvilignes dont la grande base est constituée par la portion d'extrémité utile, faisant saillie du rotor 18, de celle des deux ailettes 19 concernées qui est la plus proche de la tubulure 5. Dans le secteur semi-circulaire partant de la chambre de combustion 30 et aboutissant à la tubulure 5, dans le sens horaire, chaque chambre élémentaire 13 emprisonne ainsi un volume ou masse déterminé de gaz sous pression, lorsque son ailette 19 aval sort du secteur angulaire de la cavité 12 et revient au contact de la paroi du logement 36. Le gaz emprisonné se détend en fournissant du travail lors de la rotation du rotor 18 puis est évacué par la tubulure 5. Dans chaque chambre élémentaire 13, la pression exercée sur le rotor 18 représente une force normale à la surface du rotor 18, donc radiale. Il n'y correspond donc aucun couple. Cette remarque resterait globalement valable si le rotor 18 était de forme autre, non parfaitement circulaire, puisqu'une ondulation parasite de la surface de sa section radiale se traduirait par des couples résistants pour les surfaces d'un versant de l'ondulation, compensés par des couples moteurs pour l'autre versant. La pression sur la paroi du logement 36 est de même normale à celle-ci et, par principe, n'exerce aucun couple. Par contre, dans le secteur du demi-cercle considéré, moteur (en haut à droite), comme l'ailette 19 amont ou antérieure d'une chambre élémentaire 13 considérée présente une longueur radiale utile (grande base) supérieure à celle de l'ailette aval (petite base), et que les surfaces de ces deux ailettes 19 sont sensiblement radiales, la même pression s'exerçant sur des surfaces opposées de tailles différentes provoque une force résultante circonférentielle d'appui sur l'ailette 19 amont qui produit un couple moteur par rapport à l'axe 40 du rotor 18. Ce dernier fournit ainsi la puissance voulue à un appareil externe, ici la génératrice évoquée au début, couplée mécaniquement au rotor 18. Comme on l'aura compris, les chambres élémentaires 13 du secteur opposé, de freinage, (en bas à gauche), allant de la tubulure 5 à la chambre de combustion 30, sont mises à l'évent par la tubulure d'évacuation 5 pour éviter qu'elles ne fonctionnent en compresseur provoquant, symétriquement, un couple résistant égal au couple moteur. Le gaz à pression réduite qui y subsiste est toutefois comprimé lors de la rotation du rotor 18 mais sa pression limitée n'engendre qu'un couple résistant limité. Une deuxième tubulure d'échappement aval 6, en aval de la première tubulure 5 et en amont de la chambre de combustion 30, sensiblement à mi-parcours du secteur de freinage, a pour but de récupérer le gaz brûlé ainsi partiellement recomprimé, pour l'injecter dans une autre turbine de suralimentation référencée 3", en aval d'une turbine semblable 3'elle-même en aval de la turbine de tête 3. Les organes d'alimentation en air de la chambre de combustion 30 vont maintenant être décrits plus en détails. L'air atmosphérique provenant de la canalisation d'entrée 1 est transféré vers la chambre de combustion 30 à travers les compresseurs 2,2'et 2", associés à des refroidisseurs aval de liaison respectifs 4,4'et 4". Comme indiqué, le gaz d'échappement traversant la tubulure 5, d'échappement moyenne pression, entraîne la turbine 3 du compresseur 2 ainsi que la turbine 3'couplée à un arbre du compresseur 2', pour ensuite s'échapper dans l'atmosphère par une tubulure d'échappement basse pression 31. Le gaz provenant de la tubulure d'échappement à pression réduite 6 s'échappe de même par la tubulure 31 en sortie de la turbine 3"du compresseur 2". Le refroidissement effectué par les refroidisseurs 4,4'et 4"permet, au niveau de chaque étage, de réduire la pression, afin de faciliter la compression aval et de limiter les contraintes thermiques. L'air haute pression issu du refroidisseur aval 4"traverse une tubulure de bifurcation 7 pour alimenter trois paires, dont une est représentée sur la figure 1, de cylindres à piston 20 disposés de façon symétrique par rapport à une zone d'entrée de la chambre de combustion 30. Pour chacun des cylindres 20, un vilebrequin 29 commande une bielle 10 de manoeuvre d'un piston du cylindre d'admission 20 (fig. 2) fermé à une extrémité par une soupape 11 s'ouvrant vers l'extérieur, ou clapet anti-retour, d'alimentation en air de la chambre de combustion 30, comportant un injecteur de carburant 9. Il est ici prévu un élément de rappel, un ressort 16, du clapet 11 vers sa position de fermeture du cylindre 20, dont l'action s'ajoute à l'effet de dépression exercé par le recul du piston. L'air comprimé provenant de la tubulure 7 est injecté dans le cylindre 20 par un injecteur de détente 8 puis comprimé par le piston pour s'échapper vers la chambre de combustion 30, lorsque la force de pression du piston excède celle de la pression de la chambre de combustion 30, à laquelle s'ajoute la force du ressort de rappel. La pression peut alors atteindre environ 120 bar, pour un échappement à 40 bar par la tubulure 5. La vitesse de rotation des ailettes 19 est ici de 1000 t/mn et la consommation est d'environ 13 g de carburant par kW-h. Le mélange combustible/air peut être un mélange pauvre, par exemple 1/40. La chambre de combustion interne 30, munie des moyens classiques pour faire brûler le mélange gazeux, reste ainsi en permanence à haute pression puisque les cylindres 20 compensent les pertes de masse et pression du gaz capté par les chambres élémentaires 13. Il n'y a donc pas rupture de charge. Comme représenté sur la figure 2, le moteur de la figure 1 entraîne une génératrice 25 de courant alternatif à la vitesse de 3000 t/mn à travers une roue avec arbre de couplage 24 portée par le bâti 26. Une roue intermédiaire, de démultiplication de vitesse 23, relie la roue 24 à une couronne interne de dents 22, radialement tournées vers l'axe 40, constituant l'une des extrémités du rotor 18, dont une couronne de dents radialement opposées 21 entraîne le vilebrequin 29. Des indications chiffrées sur le présent exemple de réalisation vont maintenant être fournies. On conçoit qu'elles ont pour but de bien faire comprendre l'invention mais que celle-ci n'est pas limitée à ces valeurs. Les ailettes 19 présentent une surface utile moyenne de travail de 36 cm2, avec une force de pression correspondante variant, pour 120 bar dans la chambre de combustion 30, d'environ 14 000 N et un couple de 2750 N. m, à environ 720 N et 157 N. m pour l'échappement (5) à 40 bar. L'injection de carburant est effectuée par une pompe haute pression, 2000 bar. Le volume des chambres élémentaires 13 varie entre 3 45 et 156 cm3, moyenne efficace 71 cm3, avec une hauteur moyenne d'ailette de 6 cm. 3 On atteint 3067 cm3, à partir des 18 ailettes, avec un coefficient 2, 4 de volume entrée/sortie turbo. La consommation à 1000 t/mn est de 60 k t/h x 3067 cm3 = 184 k litres d'air/h. La masse d'air est de 184 k 1 x 1,293 g/1, soit 238 k 1, (k = 1000), d'où l'on déduit qu'il correspond 5950 g de carburant. Le couple moteur est de 4390 N. m, compte tenu d'une perte de charge d'un coefficient 1,3. La puissance est ainsi de 4390 N. m x 104,72 = 460 kW, ou 625 CV. Le mécanisme décrit permet en particulier de réaliser une centrale de trigénération : force, chaleur, froid, par couplage avec les appareils appropriés. Il peut en outre être monté dans un véhicule à moteur hybride. Revendications 1. Mécanisme de moteur rotatif comportant un stator (26) comprenant un logement (36) de section circulaire, autour d'un axe géométrique (50), dans lequel est montée une pluralité d'ailettes de cloisonnement (19) solidaires en rotation d'un rotor (18), monté sur le stator (26) par des moyens (33) de palier de rotation autour d'un axe mécanique (40), pour former une pluralité correspondante de chambres élémentaires (13) de réception d'un gaz comprimé, caractérisé par le fait que l'axe mécanique (40) des moyens de palier (33) est décalé par rapport à l'axe géométrique (50) du logement (36), le rotor (18) est percé d'une pluralité de puits (39) de coulissement des ailettes (19) et il est prévu des moyens (14,15) de maintien d'une extrémité de chaque ailette (19) contre la surface interne du logement (36). 2. Mécanisme selon la revendication 1, dans lequel le rotor (18) présente une section en anneau sensiblement circulaire. 3. Mécanisme selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens (14,15) de maintien des ailettes (19) comportent un moyeu (14,15) d'appui des extrémités des ailettes opposées à celles en contact avec la paroi du logement (36), centré sur l'axe géométrique (50) du logement (36). 4. Mécanisme selon la revendication 3, dans lequel le moyeu (14,15) est porté par le stator (26). 5. Mécanisme selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le rotor (18) comporte, à une extrémité, une première couronne (22) de dents d'entraînement d'un arbre de sortie (24), tournée vers l'axe (40) du rotor (18). 6. Mécanisme selon la revendication 5, dans lequel ladite extrémité comporte une deuxième couronne (21) de dents d'entraînement d'un vilebrequin (29), radialement opposée à la première couronne (22). 7. Mécanisme selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel un engrenage (23) de changement de vitesse de rotation est interposé entre la première couronne (22) et l'arbre de sortie (24). 8. Mécanisme selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le logement (36) comporte un renfoncement (12) de transfert du gaz entre une chambre de combustion (30) et les chambres élémentaires (13). 9. Mécanisme selon la revendication 8, dans lequel la chambre de combustion (30) est alimentée en air comprimé par une série de compresseurs (2,2', 2"). 10. Mécanisme selon la revendication 9, dans lequel les compresseurs (2,2', 2") sont couplés à des turbines (3,3', 3") entraînées par du gaz provenant d'une première tubulure (5) d'échappement du logement (36) sensiblement diamétralement opposée à la chambre de combustion (30). 11. Mécanisme selon la revendication 10, dans lequel une deuxième tubulure (6), de sortie basse pression, est prévue angulairement en aval de la première tubulure (5) et en amont de la chambre de combustion (30). 12. Mécanisme selon l'une des revendications 9 à 11, dans lequel la chambre de combustion (30) est alimentée en air comprimé par des cylindres (20), reliés aux compresseurs (2,2', 2"), comportant en sortie des clapets anti-retour respectifs (11) agencés pour être rappelés vers une position de fermeture par un effet de dépression provoqué par un recul d'un piston du cylindre considéré (20).