Brevet FR2861436A1 — publié le 20050429

APPAREIL HYDRAULIQUE La présente invention a pour objet un appareil hydraulique. Il est destiné à générer de l'énergie au moyen d'enceintes à volume variable en faisant agir la pression d'un liquide. Dans une capacité de forme quelconque reliée à une réserve située au-dessus de cette enceinte, la résultante des forces de pression dans la direction horizontale est nulle et la résultante verticale est égale au poids du liquide contenu dans l'enceinte et passe par le centre de volume du liquide contenu. A l'intérieur d'une enceinte déformable de volume variable, les forces de pression s'exerçant sur les parois sont indépendantes du poids de liquide contenu et de la position du centre de volume et dépendent de la position des parois par rapport à la surface libre de la source. Le dispositif selon la présente invention permet de tirer parti de ces propriétés pour créer de l'énergie mécanique dans des conditions particulièrement avantageuses. Il est constitué d'un système comportant plusieurs enceintes à volume variable, formées chacune d'un secteur semi-cylindrique tournant dans un corps de même forme, et reliées deux par deux à une même source de liquide, la position angulaire de l'ensemble déterminant le volume de chaque enceinte ainsi que la hauteur de surface libre des sources, de manière à ce qu'un couple de sens alternativement direct et rétrograde s'exerce sur l'ensemble en provoquant ainsi un mouvement oscillant permanent. Sur les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs de formes de réalisation de l'objet de l'invention: les figures 1 à 7 sont des schémas illustrant le principe sur lequel est basé l'appareil, la figure 8 est une coupe verticale d'un exemple d'enceinte à volume variable, la figure 9 est un schéma montrant la position du point d'application d'un couple produit par la pression d'un liquide, les figures 10 et 11 représentent schématiquement deux capacités projetées sur un même plan sont, séparées pour plus de clarté, l'échelle de la figure 11étant cinq fois celle de la figure 10, la figure 12 est un graphique des couples de sens direct et de sens rétrograde s'exerçant sur l'arbre support de deux capacités, la figure 13 illustre la variation de la position du centre de gravité pour différents volumes de liquide de quatre capacités, les figures 14,15, 16 représentent respectivement, pour une première capacité à volume variable, la cloison verticale située à une extrémité, la coupe médiane et la cloison verticale située à l'extrémité opposée les figures 17,18, 19 représentent respectivement, pour une seconde capacité à volume variable, la cloison verticale située à une extrémité, la coupe médiane et la cloison verticale située à l'extrémité opposée, les figures 20 et 21 représentent les secteurs des deux capacités des figures 14 à 19, la figure 22 est une coupe axiale des deux capacités des figures 14 à 21 montées sur un même axe, la figure 23 représente les roues fixes sur lesquelles s'appuient les trains d'engrenages de chaque capacité des figures 14 à 22, la figuré 24 montre un train d'engrenages s'appuyant à l'intérieur d'une roue fixe, la figure 25 représente une variante de train d'engrenage, dans lequel les secteurs de deux capacités sont munis d'un arbre extérieur, ces arbres étant supportés par deux plaques solidaires de l'arbre d'axe 0, la figure 26 est une coupe axiale montrant quatre capacités accouplées et la figure 27 est une coupe d'un détail montrant des secteurs montés sur les arbres de deux capacités et s'appuyant a l'intérieur d'une roue fixe. On considère une capacité de volume variable dont l'enveloppe est constituée par un cylindre droit creux d'axe Y' O2Y de longueur intérieure L et de rayon intérieur R comportant une cloison radiale C-D (02-C = r, 02-D = R ) et par un secteur mobile A-B (02-A = r, 02-B = R) d'épaisseur L, supporté par un arbre d'axe Y' O2 Y (Fig. 1 et 8). L'enveloppe de la capacité est solidaire d'un arbre déporté d'axe Y'OY. L'arbre supportant le secteur est relié par un train d'engrenages (Fig. 2) a une roue M fixe dans l'espace d'axe Y' 0 Y. Lorsque la capacité tourne autour de l'axe 0 d'un angle a dans le sens rétrograde (vu de Y') le plan C-D tourne du même angle dans le même sens et le plan A-B tourne d'un angle 2a dans le sens direct. Dans tout ce qui suit on conservera le terme pg en facteur pour alléger l'écriture, les pressions seront exprimées en hauteur de liquide, les couples de sens direct seront affectés du signe + et les couples de sens rétrograde du signe-. Lorsque l'espace compris entre les plans A-B et C-D est alimenté par un liquide, le plan A-B est soumis à une force de pression F, le plan C-D à une force U, et les parties C-A et D-B aux forces W et Q (Fig. 3). La force F agissant sur le plan A-B produit sur l'axe 02 un couple égal à : h02 étant la hauteur de liquide par rapport à 02, qui peut être positive ou négative dans la limite ou hp étant la pression atmosphérique représentée par une hauteur de même liquide est telle que hp # R - h02 pour 0 Le couple produit sur l'axe 02 par la force F produit par l'intermédiaire du train d'engrenages sur l'arbre d'axe 0 un couple égal au double de sa valeur et de sens opposé. On place le centre de gravité du secteur sur l'axe 02 et le centre de gravité de l'enveloppe sur l'axe 0. Les forces F, U, W et Q agissant sur les parois de la capacité ont une résultante verticale égale au poids du liquide contenu. Lorsque la capacité est indéformable on peut calculer le couple produit en un point 0 quelconque en utilisant soit les forces de pression existant à l'intérieur de la capacité, soit le poids du liquide contenu (Fig. 6). Dans le cas d'une capacité de volume variable comme celle décrite on doit considérer les couples produits par les différentes forces F, W, Q, U, sur le point 0. La résultante verticale de ces forces est toujours égale au poids du liquide, mais la force F ne peut pas à la fois produire sur l'axe 0 un couple de sens direct, dans le cas de figure, et un couple de sens rétrograde du à sa composante verticale. La résultante verticale des forces F, U, W, Q ne varie pas suivant la position de O2 par rapport à 0 mais la valeur des composantes Fsin(3 et Usinp varient ainsi que la résultante de W - Q En appelant hg la hauteur de liquide au dessus du point g, centre de gravité des plans A-B et C-D, la résultante de W - Q sera nulle pour : et deviendra négative pour une valeur inférieure de hg. On dispose deux capacités Ca et Cb de dimensions : Ca : L, R , r et Cb : I, R1, r1, telles que L(R2-r2) = I(R12-r12) comme indiqué sur la Fig. 7, le centre de gravité du plan C-D de la capacité Cb se trouvant sur l'axe Y' 0 Y, l'axe 02 de cette capacité se trouvant alors à une distance de 0 égale à b = (R1+r1)/2, l'axe 02 de la capacité Ca se trouvant à une distance C de l'axe 0 (Fig. 7), la capacité Ca étant vide et la capacité Cb étant ouverte de 120 . On a limité l'angle d'ouverture des capacités à l'aide des secteurs (Fig. 8) à 60 pour la capacité Ca et à 120 pour la capacité Cb. Les forces F agissant sur les plans A-B, des capacités produisent sur l'axe 0 des couples de sens opposés. La hauteur de liquide alimentant les deux capacités étant ho au dessus de 0 ces couples seront (Fig. 7), l'angle a étant toujours dans ce qui suit celui de la demi ouverture de la capacité Ca, et comme L(R2-r2) = #(R12-r12) leur somme est nulle pour a = 0, pour une certaine valeur de C sin 60 ' ce qui en remplaçant b par sa valeur détermine C sin 60 2 2 R 3 -r 3 1~~~~~R13=r13~~~~ R1 +1 ~~~~ Csin60 = ~~~ -------- + ~~~ --------- - ~~~~~~~~~ 3 R2~2 3 R 1 2-r 1 4 ce qui peut aussi s'écrire en remarquant que 1 R13-r13 R1+r1 - (Ri"fi)3 "3 R,T-r72 " ~T"~ Ï2( RÏ5-r?r Csin6O 8 L/1 (R3-r3) + (R1-r1)3 Csin60 = -~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 12 {R12-r12) Pour un angle a quelconque la différence des couples sera : ce qui après simplification donne Ce couple indépendant de ho est toujours positif. La force de pression U (U = F) est égale au produit de la pression existant au centre de gravité g du plan C-D par la surface de celui-ci Pour la capacité Ca cette force de pression sera : U = (hg) L (R-r) mais son point d'application ne sera pas en g mais en N (Fig 9) et la distance O2N sera - Le couple produit sur l'arbre d'axe 0 sera égal à : U x KN avec KN = C sin 60 - O2N ce qui après simplification donne : Ce couple sera toujours positif pour ho # C En procédant de même pour la capacité Cb on obtient : ï-------------------------------------------------------------1 l'angle Ce couple toujours négatif est indépendant de ho et ne dépend que de l'angle a Pour la capacité Ca le couple produit sur l'arbre d'axe 0 par les forces W - Q sera ( W - Q ) C cos(60+a) avec W = L [ (ho - Csin(60+a) + R cos a) 2 R sin a +R2 2 a 2 n R -# - R sin cos a 360 sin cos Q = L [ (ho - Csin(60+a) + r cos a) 2 r sin a 2 [alpha] + # r2 ------ r2 sin [alpha]cos [alpha]] 360 sin cos ce qui après simplification donne Ce couple sera toujours positif pour ho # C Le couple produit sur l'arbre d'axe 0 par les forces W - Q de la capacité Cb sera : ( W - Q ) b cos(30+a) avec : W = 1 [ (ho + bsin(30+a) - R, cos(60-a)) 2R, sin(60-a) 2 120-2a - n Ri ----------- + R2sin(60-a) cos(60-a) ] 360 Q = 1 [ (ho + bsin(30+a) - r, cos(60-a)) 2ri sin(60-a) 120-2a - n r2 360 + r2 sin(60-a) cos(60-a) ] 360 ce qui après simplification donne : Ce couple sera nul pour a = 30 pour ho = n/6(R1+r1) Ce qui entraîne le choix des valeurs de L, R, r de la capacité Ca et donc de C de fagon a ce que le couple W-Q #B soit toujours négatif et supérieur aux couples F #BA, U #A et W-Q #A qui sont toujours postifs et obtenir sur l'arbre d'axe 0 un couple de sens rétrograde de a = 0 à a = 30 . Si on alimente maintenant les capacités avee une hauteur h1 de liquide au dessus de 0 supérieure à : le couple sur l'arbre 0 change de sens et devient de sens direct de a=30 à a=0 . Ces différents couples sont récapitulés ci-après. Le fonctionnement de l'appareil peut à première vue paraître paradoxal, mais s'explique si l'on considère séparément les deux capacités. Pour la capacité Cb, le couple de sens direct produit par la force F sur l'arbre d'axe 0 pour une faible hauteur ho est inférieur au couple produit par le poids du liquide contenu dans la capacité qui est de sens rétrograde. Pour cette même hauteur ho c'est l'inverse pour la capacité Ca. Le paradoxe naît du fait que pour ho le liquide rejeté par la capacité Cb est absorbé par la capacité Ca et que le processus s'inverse lorsqu'on alimente les capacités avec une hauteur h1. Si on considère deux capacités identiques Cc = Ca et Cd = Cb, sur le même arbre d'axe 0, placées en opposition par rapport au plan x x' / z z', soit après une rotation de fl autour de l'axe z z', la capacité Cc étant pleine alors que la capacité Ca est vide, les capacités Cc et Cd étant alimentées par une hauteur h1 alors que les capacités Ca et Cb sont alimentées par une hauteur ho elles produisent sur l'axe 0 un couple de sens rétrograde (vu de Y') qui s'ajoute au couple de même sens produit par les capacités Ca et Cb. Les différentes capacités projetées sur un même plan sont représentée Fig. 10 et 11, séparées pour plus de clarté. l'échelle de la figure 11étant cinq fois celle de la figure 10. Pour un angle a quelconque les couples-sont récapitulés ci-après. Quatre capacités : Ca, Cb, Cc, Cd Avec K, = csin60(R-r)-(R2-r2)/2 K2 = Csin60(R2-r2)/2-(R3-r3)/3 U #A/C = L [ (ho - h1) K1 - (CK1+K2)sin(60+a)-cos a) U #B/D = ----- (R1-r1)3 (sin (30+[alpha]) - cos(30+[alpha])) W-Q #A/C = 2 (R-r) LCsin(30-a) sin[alpha](h0-h1-C(sin(60+[alpha])-cos[alpha]) W-Q #B/D = # (R12-r12) [ho cos2(30+a) - (h1 sin2(30+[alpha]) Le calcul ponctuel effectué pour un angle quelconque pour chaque couple de chaque capacité confirme la justesse des équations. On obtient deux couples équivalents de sens rétrograde de alpha = 0 à a = 30 et de sens direct de a = 30 à a = 0 (figure 12). Il faudra utiliser plusieurs appareils identiques de phases décalées pour obtenir un couple moyen. La différence des couples produits par les forces F pour deux capacités Ca et Cb ou Cc et Cd est peu importante mais chacun d'eux, lorsque les capacités sont alimentées par la hauteur h1 est important et supporté séparément par le train d'engrenages de la capacité et impose une hauteur h1 compatible avec la résistance des engrenages. Il convient de réintroduire le terme pg les hauteurs de liquide et les dimensions étant exprimées en mètres. La Fig. 13 indique la position du centre de gravité G des différents volumes de liquide des quatre capacités pour l'exemple choisi. Couple obtenu #/#g avec un appareil. Ca = Cc L = 2,50 R = 2,50 r = 0,50 Cb=Cd 1=1 R1=8 r1=7 Avec ho = 2 et h1 = 35 C = 1,9950659 Sens rétrograde Sens direct 0 -225,97594 30 +225,9?594 7 ,5 -286,46918 22 ,5 +286,46918 15 -329,18588 15 +329,18588 22 ,5 -349,46907 7 ,5 +349,46907 30 -344,19073 0 +344,19073 On remarque que les secteurs ne se déplacent dans les capacités que de 30 par rapport à la verticale. Il est donc inutile d'utiliser comme enveloppe un cylindre creux complet et on peut se contenter d'un secteur de celui-ci. On représente les cloisons verticales et la coupe médiane des capacités après une rotation de l'arbre 0 de 30 . Pour la capacité Ca la figure 14 représente la cloison verticale située côté Y', la figure 15 la coupe médiane et la figure 16 la cloison verticale située du côté Y. Pour la capacité Cb, la figure 17 représente la cloison verticale située du côté Y', la figure 18 la coupe médiane de la capacité et la figure 19 la cloison verticale située du côté Y. La figure 20 représente le secteur de la capacité Ca et la figure 21 celui de la capacité Cb. Les figures 16 et 17 représentant pour les deux capacités les cloisons situées l'une en face de l'autre montrent un évidement circulaire de l'épaisseur de chaque cloison situé sur l'axe 0. Lorsque ces deux cloisons sont accolées, leur volume forme une chambre à liquide communiquant avec les deux capacités et au travers de laquelle l'échange de liquide se fait d'une capacité à l'autre. Cette chambre est alimentée (Fig. 22) soit par le réservoir ho soit par le réservoir h1 suivant la phase de rotation pour compenser les fuites qui se produiront au cours du fonctionnement. Les fuites sont évacuées (Fig. 18) par gravité. La figure 22 représente les deux capacités Ca et Cb après une rotation de 30 dans le sens rétrograde. Les roues fixes M sur lesquelles s'appuient les trains d'engrenages de chaque capacité servent de paliers à l'arbre O. Elles sont représentées figure 23 pour les capacités Ca et Cb, celles des capacités C et D étant en opposition avec elles après une rotation de Pi autour de l'axe Z Z'. Les pressions sur les cloisons verticales des capacités étant différentes suivant le réservoir qui les alimente. Une butée devra être prévue sur l'arbre 0 pour éviter tout déplacement dans le sens Y' Y ou Y Y'. L'utilisation de plusieurs appareils en décalage de phase pour obtenir un couple moyen est une solution onéreuse qui n'atténue pas les efforts supportés par les trains d'engrenages. La courbe du couple produit sur l'axe 0 varie avec les hauteurs de liquide ho et h1. Il existe une hauteur h1 pour laquelle le couple produit pour a = 0 est égal au couple produit pour alpha = 30 . On obtient alors les couples suivants en utilisant un seul appareil à quatre capacités - Ca = Cc L = 2,50 R = 2,50 r = 0,50 Cb=Cd # = 1 R,=8 r,=7 ho = 2 h1 = 19,238028 #/#g = a = 0 - 148,91741 = 30 + 148,91741 7 ,5 -165,19206 = 22 ,5 +165,19206 = 15 -171,95501 = 15 +171,95501 = 22 ,5 -166,99951 7 ,5 + 166,99951 = 30 -148,91739 = 0 + 148,1739 On a utilisé un train d'engrenages figuré Fig. 2. On aurait aussi pu utiliser un train d'engrenages figuré Fig. 24, où une roue de rayon C centrée sur l'axe O2 s'appuie à l'intérieur d'une roue fixe M' centrée sur l'axe O. La force tangentielle au point de contact T qui est fonction de C reste importante. On remarque que les forces F agissant sur les plans A-B des capacités Cb et Cc produisent sur l'arbre d'axe 0 un couple de même sens (direct). Si les secteurs des capacités Cb et Cc sont munis d'un arbre extérieur dirigé vers Y pour Cb et vers Y' pour Cc, ces arbres étant supportés par deux plaques solidaires de l'arbre d'axe 0 (Fig 25,26) ces deux arbres s'appuyant sur une roue folle située entre ces deux plaques d'axe Y' O3 Y, O3 se trouvant à égale distance des axes 02-B et 02-C, les arbres d'axe O2 de chacun des secteurs étant solidaires d'un secteur d'angle légèrement supérieur à 60 les forces F des deux capacités s'ajoutent. Les secteurs supportés par les arbres d'axe O2 sont eux-mêmes situés entre les plaques de la Fig.26. On procède de même pour les capacités Ca et Cb dont les forces F produisent sur l'arbre d'axe 0 un couple de même sens (rétrograde). Pendant la durée d'une phase avant que les hauteurs de liquide ho et h., ne soient inversées, la capacité Cc est soumise a une forte pression lorsque la capacité Cb est soumise a une faible pression. Il en est de même pour les capacités Ca et Cd. On muni les arbres d'axe 02 des capacités Cb et Cd d'un secteur d'angle légèrement supérieur à 60 toujours situé entre les deux plaques et faisant corps avec les secteurs précédents s'appuyant sur les roues folles d'axe 03, le rayon de ces secteurs étant égal à 1/2(R1 + r,) qui vont s'appuyer a l'intérieur d'une roue fixe M' centrée sur l'axe Y' 0 Y et de rayon intérieur égal à R1 + r, (Fig. 27). La force tangentielle aux points de contact T sera alors fonction de 1/2 (R, + r,). On supprime de ce fait tous les autres trains d'engrenages, la roue M' servant pour les quatre capacités. L'arbre d'axe 0 sera alors supporté par des paliers. (Fig. 26). Il va sans dire que l'on aura veillé à ce que les centres de gravité des secteurs intérieurs des capacités de l'arbre que chacun porte et des secteurs extérieurs qui y sont attachés se trouve sur les axes 02, et que le centre de gravité des plaques et des enveloppes des capacités se trouve sur l'axe Y' 0 Y. La force tangentielle aux points T sera égale à : Cette force maximum pour a = 0 décroît légèrementjusqu'à a = 30 . Dans le cas de l'exemple précédent elle sera : Des équations précédentes on déduit en prenant : la hauteur h1 pour laquelle le couple est égal pour a = 0 et a = 30 : h1 = 2K3 - h0 Ce couple est égal à : La force tangentielle sur la roue fixe M' est : La force tangentielle sur la roue folle est : Dans l'exemple précédent, on a placé arbitrairement les axes O2 Cb et O2 Ca, l'angle rntre O O2 Ca et O O2 Cb étant de 150 et l'axe 02 Ca se trouvant à 120 deOX. En conservant le même angle entre O O2 Ca et O O2 Cb et en plaçant O2 Ca à 135 de 0 X, on aurait obtenu avec : Avec un angle entre O2 Ca et O2 Cb de 135 et en plaçant O2 Ca à 120 de 0 X, on aurait obtenu avec - Ces positions ne sont pas limitatives Lorsque l'on diminue h1, les couples pour a = 0 et a = 30 ne sont plus égaux. Le couple pour a = 0 diminue moins que le couple pour a = 30 , ce qui permet de tenir compte dans le travail fourni du moment d'inertie de l'appareil. Les équations donnent les valeurs de Ft2 = Ft1 ne varient pas en utilisant cependant la nouvelle valeur de h1. REVENDICATIONS 1 . Appareil hydraulique destiné à générer du travail au moyen d'enceintes à volume variable en faisant agir la pression d'un liquide, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un système comportant quatre enceintes (Ca, Cb, Cc, Cd) à volume variable dont l'enveloppe est constituée par un cylindre droit creux ou une portion de cylindre comportant une cloison radiale (C-D) et par un secteur mobile (A-B) tournant autour d'un arbre de même axe que celui de l'enveloppe cylindrique, les capacités (Ca, Cb, Cc, Cd) étant reliées deux par deux à une même réserve de liquide, la position angulaire de l'ensemble déterminant le volume de chaque enceinte ainsi que la hauteur de surface libre des réserves. 2 . Appareil hydraulique selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que l'enveloppe de chaque capacité (Ca, Cb, Cc, Cd) est solidaire d'un arbre externe dont l'axe (Y' 0 Y) est parallèle à l'axe de ladite enveloppe, l'arbre supportant le secteur mobile (A-B) est relié par un train d'engrenages a une roue fixe (M) de même axe (Y' 0 Y) que celui de T'arbre externe de l'enveloppe, l'ensemble étant agencé de façon à ce que, lorsque une capacité tourne autour de l'arbre déporté d'un angle a dans un sens la cloison radiale (C-D) tourne du même angle dans le même sens et le secteur mobile (A-B) tourne d'un angle 2a dans le sens opposé.