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Monsieur SCHWARZ (Hermann) ingénieur
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10 Dûrrbaohotrasse Stuttgard-Bedekf1ngen-(Wrtemberg) MOTEUR HYDRAULIQUE
La présente invention concerne un moteur hydraulique dans lequel la pression d'une colonne d'eau est transformée en travail au moyen de pistons à membranes élastiques qui peuvent être courbées et qui sont tendues dans des cylin- dres. Jusqu'à présent, on a régé généralement les moteurs de ce genre de la même manière que les pompes à pistons et les turbines hydrauliques en rétrécissant ou en élargissant la section de la conduite d'amenée du liquide relativement à son ouverture normale.
Oe mode de réglage a, comme cela estconnu notamment dans la construction des turbines, l'in- convénient que d'une part, par suite du remplissage incomplet ou de la charge incomplète, d'autre part par suite des
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pertes de circulation et par frottement avec une section rétrécie, le rendement de la machine est notablement diminu.
L'invention consiste dans le fait que le réglage du moteur eet fait non pas en modifiant la section de la conduite d'amenée d'eau, mais au contraire en maintenant constante cette section et en faisant varier la course du piston. Un tel réglage de la course ne produit aucune diminution notable de l'efficacité du rendement hydrau- lique, au contraire de ce qui se produit lorsque l'on règle la section elle-même en cas de fortes surcharges ou de charges trop faibles.
L'essentiel de l'invention consis- te dans le fait que la modification de la course des piétons est obtenue au moyen de masses oscillantes disposées excen- triquement sur l'arbre élastique de la manivelle dont la force oentrifuge agit sur la courbure de l'arbre*
L'emploi de la courbure élastique de l'arbre en vue du réglage de la course du piston repose sur les lois phy- siques suivantes:
Dans la courbure élastique 2. d'un arbre sous l'influence de la force centrifuge d'une ou de plu- sieurs masses m excentrées d'une valeur e disposées sur l'arbre, la grandeur de cette force centrifuge-est la suivante,. (1) P = m (y+e) w2 dans laquelle w est la vitesse angulaire de l'arbre* Cette force centrifuge appelle dans l'arbre recourbé la force élastique de même grandeur et de direction opposée:
(2) P = [alpha] y de sorte que la condition d'équilibre est la suivante:
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d'où l'on tire la flèche-de la courbire :
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[alpha]est un facteur qui dépend des dimensions de l'arbre et
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du mode de duspension.. Si l'on fait croître la vitesse angulaire de l'arbre jusqu'à la valeur [alpha] = m w2 c'est-à-dire y = # cette vitesse critique est alors wk = #[alpha]/m .
Si l'on a soin de prévoir au moyen d'un dispositif quelconque la possibilité de dépasser cette vitesse critique sans danger de la formation d'une courbure de l'arbre indéfinie ou tout au moins exagérée on obtient alors un nouvel état d'équilibre stable pans lequel la courbure de l'arbre a une direction opposée, correspondant au changement de signe de y dans l'égalité 4 pour une valeur négative du dénominateur 0( - m w2.
Si l'on porte la vitesse critique suivant l'éga- lité 5 dans l'égalité 4 on obtient alors!
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c'est-à-dire que, aux vitesses de rotation inférieure à la vitesse critique, la courbure élastique de l'arbre a le même sens que l'excentricité de la masse m, tandis qu'aux vitesses de rotation supérieures à la vitesse critique, la courbure de l'arbre est dirigée dans le sens opposé l'excentricité de la masse m. Cette masse m n'a donc plus tendance à accroître l'excen- tricité, mais à tourner autour de son propre centre de gravité ce qui est obtenu pour w = puisqu' alors y = .. e.
Oe phénomène peut être employé d'une manière avantageuse au réglage de la course des pistons de manière que, lorsque le nombre de tours augmente la course doive devenir plus petite, c'est-à-dire que l'excentricité existant de la manivelle ou de
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l'excentrique doive devenir de sens opposé à la cour- bure de l'arbre.
La suppression de toutes les courbures de l'arbre autres que oelles qui sont nécessaire pour le réglage, par exemple celles qui sont transmises à l'arbre par l'action de la pression de l'eau sur les tiges de piston, a lieu soit au moyen de disques compensateurs appropriés par oscillations, ou bien par la disposition symétrique de plus de deux ensem- bles de cylindres disposés en étoile, lesquels sous l'influence de la pression de l'eau contre les pistons déterminent sur l'arbre des moments fléchissante effec- tifs qui sont en opposition.
Les disques compensateurs employés sont munis utilement d'une chambre creuse remplie en partie avec du mercure pour la compensation automatique des oscil- lations périodiques de la résultante des forces trans- mises par les tiges de pistons qui surviennent à cha- que rotation de l'arbre, et qui sont conditionnées par le nombre de cylindres réunis dans un ensemble de cy- lindres disposés en étoile. Cette disposition est basée sur le fait suivant : un cylindre creux rotatif centré exactement est rempli en partie avec un liquide, par exemple du mercure, pendant la rotation, indiffé rement au-dessus ou au dessous de la vitesse critique, le miroir de mercure prend la forme d'une enveloppe cylindrique concentrique au cylindre creux.
Si cepen- dant on détruit au moyen d'un choc quelconque exercé sur l'arbre depuis l'extérieur la position centrale du cylindre creux, il se produit, au-dessous de la vitesse critique une répartition telle du remplissage que l'excentricité du cylindre creux rotatif sous l'in- fluenoe de la force centrifuge du mercure est augmentée
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par la superposition d'une courbure de l'arbre qui se produit dans la direction de l'excentricité existant déjà.
Au-dessus de la vitesse critique, en revanche, la masse de mercure qui se meut libre- ment suit sa tendance à tourner autour de son propre centre de gravité, de sorte que l'on obtient un centrage automatique du cylindre creux par suite du fait que la force centrifuge de la masse Qui prend naissance est dirigée en sens opposé à l'impulsion qui a détruit la position primitive du centre de gravité du cylindre tournant*
Puisque'non seulement l'arbre mais aussi les pistons à membrane qui lui sont reliés sont formés suivant l'invention comme des organes élastiques, on a ainsi un système oscillant élastique qui comprend les tiges de pistons et les membranes de pistons élastiques dans lequel l'accélération ou ne le retard des masses oscillant dans le système/né- cessite aucun emploi de force notable influençant le rendement.
Une autre utilisation du présent dispositif caractéristique qui forme une partie importante de l'invention consiste à décharger l'arbre des for- ces de la pression d'eau qui agissent sur lui de manière à le courber et à régler le nombre de tours du moteur au moyen du dispositif décrit ci- dessous.
Cette nouvelle disposition consiste dans l'emploi d'un seul ensemble de cylindres en étoiles dont les tiges de pistons sont réunies par moitié à celui du milieu et par moitié à ceux extrêmes de
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trois excentriques de commande disposés vers le milieu de l'arbre et décalés de 1800 l'un relativement à l'autre, de telle sorte que la commande de l'arrivée d'eau soit réglée de manière à agir dans le même sens sur deux cylindres décelée de 1800 l'un relativement à l'autre.
Pour permettre le réglage, l'arbre est fendu utilement dans le sens de la longueur de sorte qu'il forme deux ressorts reliés l'un à l'autre aux extré- mités, dont l'un est relié avec l'excentrique du milieu et dont l'autre est relié avec les deux excen- triques symétriques disposés extérieurement.'Les cour- bures des deux parties de l'arbre nécessaires pour le réglage sont ontenues pour chacune de ces parties par deux masses oscillantes disposées excentriquement au milieu de l'arbre dont l'excentricité est réglable et qui peut être modifiée avec le nombre de tours.
Un exemple de l'invention est représenté dans les dessins.
La fig. 1 représente une coupe longitudinale de la machine hydraulique.
La fig. 2 représente une coupe transversale*
Les figs. 3 et 4 montrent en vue latérale et en vue de l'avant une masse oscillante employée pour le réglage.
Les fige. 5 et 6 représentent une coupe trans- versale et une vue latérale d'un autre disque excentré servant à compenser la pression de l'eau qui agit sur l'arbre.
La fig. 7 représente la disposition opposée des masses oscillantes du disque de réglage et de compensation sur l'arbre de commande.
La fig. 8 est une coupe partielle passant par l'axe.
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La fige 9 représente une coupe transversale par le milieu.
Le moteur hydraulique possède d'une manière connue des chambres de travail cylindriques a, tan- dis que les pistons de travail se composent de mem- branes b,tendues sur la périphérie des chambres* Ceux- ci commandent au moyen de tige de piston ±, qui sont articulées sur un anneau d, la manivelle ou l'excen.- trique e d'un arbre f. La tubulure d'amenée d'eau de même que la tubulure de sortie d'eau h sont toutes les deux commandées par un tiroir tournant! fixé sur l'arbre et sont en liaison au moyen de conduis k et 1: avec les chambres de travail a.
Suivant l'in- vention, l'arbre! est monté dans des paliers m qui peuvent osciller dans toutes les directions, de sorte que l'arbre peut se courber sans se coincer, tandis que entre les parties n été l'arbre qui porte les tiroirs 1 et l'arbre! flexible, on a disposé plusieurs dispo- sitifs d'accouplement élastiques o.
L'invention consis- te donc dans le fait que l'arbre! est flexible et mu- ni de masses excentrées de sorte que la course des membranes est réglée automatiquement d'une manière correspondant au nombre de tours par une augmentation ou une diminution de la courbure de l'arbre sous l'in- fluenoe des forces centrifuges des masses excentrées comme cela a été étudié dans l'exposition. Les masses de réglage excentrées indiquées sont formées par des disques! dont l'excentricité est utilement réglable.
Ces excentriques p qui servent au réglage de la course se composent comme le montrent les figs. 3 et 4 d'un poids qui peut être déplacé ayant la forme d'un cadre fermé guidé sur un. support glissant r qui repose sur l'arbre f. Le support glissant r porte des deux côtés
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des disques d'appui t réglables sur des tiges file- tées f, contre lesquelles s'appuient des ressorts u dont les autres extrémités s'appuient sur le cadre p.
Par le réglage des disques d'appui t sur leurs tiges, on peut modifier à volonté l'excentricité des cadres excentrés p.
Pour pouvoir compenser les forces de la pres- sion de l'eau agissant sur l'arbre de même que les oscillations résultant des variations de chute du fluide moteur, on a prévu d'autres disques compensa- teurs dont le centre de gravité est réglé d'une manière correspondant à la chute. Un tel disque compensateur est représenté par exemple dans les fi- gures 5 et 6. Le disque compensateur se compose d'une enveloppe v qui est fixée au moyen d'un moyeu . sur l'arbre f. Un cylindre . partant du moyeu contient un piston Z qui est soumis à la pression d'un ressort.
L'espace cylindrique .± compris entre le piston y et le moyeu w est rempli de fluide moteur qui traverse l'arbre creux et est soumis partout à la pression de ce fluide, de sorte que lorsque la pression croit le piston y est déplacé vers l'extérieur dans la direction opposée à l'action du ressort et que par suite, le centre de gravité de la masse oscillante est également déplacé vers l'extérieur de telle manière qu'en dispo- sant le dispositif d'une manière appropriée, il s'op- pose à l'élévation de la pression de l'eau exercée sur 1 arbre.
Naturellement les directions de l'excentricité du disque de réglage 2 et du disque de compensation . forment normalement un angle de 90 .
De plus pour compenser les oscillations périodiques de l'arbre qui sont produites par le passage de
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chaque cylindre depuis la pleine pression de la chute d'eau jusqu'à la basse pression de l'eau qui s'écoule, les disques de compensation q possèdent une chambre en forme de faucille qui est remplie partiellement avec du mercure, dispositif dont l'importance fondamentale a été déjà expliquée.
Notamment si l'on compose en une résultante les forces qui agissent sur l'arbre et qui résultent de la pression de l'eau sur la membrane exposée à cette pression et qui sont transmises par les tiges de pistons, on trouve que, à chaque rotation, cette résultante présente autant de variations qu'il y a de cylindres réunis dans un assemblage de cylindres en étoiles. Il s'agit dans ce cas de variations qui concernent aussi bien la grandeur que la direction de cette résultante par le fait que cette résultante dans le cas ou z cylindres sont réunis de manière à former un assemblage en étoile présente à chaque rotation z maxima et z minima, tandis qu'en même temps elle s'écarte z fois d'un petit angle de la direction normale.
Par suite de ces variations périodiques, l'arbre est soumis d'une manière cor- respondante à des vibrations lesquelles cependant par l'emploi d'un cylindre creux rempli partiellement de mercure dans chaque disque compensateur q (figures 5 et 6) sont compensées automatiquement comme cela résulte directement des propriétés physiques indiquées ci-dessus.
Puisque ces disques compensateurs q sont dispo- sés sur l'arbre f avec une excentricité notable, cette compensation automatique peut agir seulement
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dans la direction générale de cette excentricité et reste par suite sans influence sur la direction perpendiculaire à celle-oi, dans la direction de la course du piston, c'est-à-dire dans la direction des courbures de l'arbre formées en vue du réglage de l'excentrique ou de la mani- velle de réglage.
Dans la forme d'exécution représentée dans les figs.
8 et 9, les tiges de pistons c1 ou c2, les pistons à mem- branes non représentés sont reliés alternativement au moyen d'une articulation aux anneaux dl et d2 et en réali- té les tiges de piston c1 reliées avec l'anneau agissent sur un excentrique el disposé au milieu tandis que les tiges de pistons c2 sont reliées à l'anneau de qui renfer- me le premier agissent sur deux ecentriques e2 qui sont fixés vers le milieu de l'arbre et décalés de 1800 rela- tivement à l'excentrique e1.
Donc, une moitié c1 des tiges de pistons agissent sur l'excentrique du milieu el tandis que l'autre moitié c2 agit sur les excentriques extérieurs e2 de telle ma- nière qu'à chacune des tiges de pistons c1 reliée à l'exce oentrique du milieu el succède une tige extérieure c2 reliée à l'un des deux excentriques extérieurs e2. Lors- qu'on commande l'alimentation en eau et l'évacuation de l'eau de chaque cylindre de telle manière que les condui- tes d'eau de deux cylindres décalés de 1800 soient ali- mentées simultanément et dans le même sens et, que celles de deux cylindres voisins en revanche soient alimentées en opposition et avec la phase correspondant à la posi- tion qu'ils occupent, les forces exercées sur l'arbre par les tiges de pistons se compensent l'une l'autre à chaque instant.
En vue de régler la course du piston d'une manière
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qui corresponde au nombre de tours de l'arbre s, celui-ci est fendu dans le sens de la longueur entre les deux pa- liers m de sorte qu'il se compose de deux ressorts élas- tiques fl et f2 reliés aux extrémités avec une fente pratiquée entre les deux. La partie d'arbre fl porte l'excentrique el, tandis que la partie de l'arbre f2 porte les deux excentriques extérieurs disposés symétri- quement.
Chacun des excentriques el e2 possède un évide- ment pour le passage de l'arbre qui n'est pas relié avec lui et de façon à permettre la courbure de cet arbre sous l'influence des masses oscillantes qu'il porte* Les cour- bures élastiques nécessaires pour le réglage du moteur des éléments d'-arbre fl et f2 sont obtenus pour chaque arbre au moyen de deux masses d'oscillation pl et p2 dis- posées symétriquement sur chaque élément d'arbre dont l'excentricité est ajustable et peut être modifiée avec le nombre de tours comme cela a déjà été décrit. Leurs valeurs,leurs excentricités et leurs distances du milieu de l'arbre sont déterminés de telle manière que la gran- deur de la courbure des éléments d'arbres fl et f2 qu'ils déterminent corresponde constamment à la variation de la course nécessitée par le réglage.
Oes courbures des deux éléments d'arbre sont constamment dirigées dans des sens opposés et occasionnent par suite simultanément une dimi- nution ou un agrandissement de la course du piston à membrane relié avec eux.
REVENDICATIONS
Ayant ainsi décrit mon invention et me réservant d'y ap- porter tous perfectionnements ou toutes modifications qui me paratraient nécessaire, je revendique comme ma propriété exclusive et privatisée
1 - Moteur comportant des cylindres disposés en étoile et des pistons à membrane qui se meuvent dans 13 axe des cylindres par le fait que l'arbre
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qui tourne à une vitesse supérieure à la vitesse criti. que, de même que les pistons à membrane sont formés à la manière de ressorts élastiques et constituent par l'intermédiaire des tiges de pistons reliées ensemble un système oscillant soumis à l'action de la force centrifuge de masses que l'on peut régler d'une ma- nière appropriée.
2 - Dispositif suivant 1 caractérisé par le fait que le réglage est obtenu par la modification de la course du piston, cette course étant modifiée d'une manière qui correspond à la courbure élastique de l'ar- bre laquelle est commandée par la force centrifuge va- riable suivant le nombre de tours des masses oscillan- tes fixées sur l'arbre.
3 - Dispositif suivant 2 caractérisé par le fait que les masses oscillantes sont ajustables dans la di- rection de l'excentricité et fixées sur l'arbre d'une manière élastique.
4 - Dispositif suivant 3 caractérisé par le fait que les forces exercées par la pression de l'eau par l'intermédiaire des tiges de pistons sur l'arbre sont compensées par la force centrifuge d'un ou de plu- sieurs disques reposant sur l'arbre d'une manière exc ent ri que .
5 - Dispositif suivant 4 caractérisé par le fait que les oscillations produites par les variations de la pression hydraulique agissant sur l'arbre sont compensées par des variations correspondantes de la position du centre de gravité des disques compensateurs par exemple par le fait que la masse de ces disques compensateurs se compose en partie de pistons mobiles qui sont soumis à l'action de la pression de l'eau à
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laquelle s'oppose l'action d'un ressort-
6 - Dispositif suivant 5 caractérisé par le fait que les disques compensateurs possèdent une chambre remplie partiellement de mercure en vue de la compensation auto- matique des oscillations périodiques de la résultante des forces exercées par les tiges de pistons qui se pro- duisent à chaque rotation suivant le nombre de cylindres réunis en étoile.
7 - Dispositif suivant 3 caractérisé par le fait que l'arbre est déchargé des forces provenant de la pression des pistons transmises par les tiges de pistons au moyen de la disposition symétrique de plus de deux ensembles de cylindres montés en étoile dans lesquels les distant ces symétriques au milieu de l'arbre et la grandeur et la direction de la résultante des forces exercées par les tiges de pistons sont déterminées de telle manière que la somme des moments fléchissante exercés par l'arbre par la pression de l'eau est nulle-
8 - Dispositif suivant 3 caractérisé par le fait que le dispositif précédent peut comporter trois excentriques fixés sur l'arbre, celui du milieu étant décalé de 1800 relativement aux deux extérieurs,
les tiges de pistons des cylindres disposés en étoile étant reliées par moitié et alternativement dans l'ordre dans lequel elles se présentent à l'excentrique intérieur et aux deux excen- triques extérieurs.
9 - Dispositif suivant 8 caractérisé par le fait que en vue du réglage, l'arbre se compose de deux par- ties élastiques reliées à leurs extrémités dont l'une porte l'excentrique du milieu et dont l'autre porte les deux excentriques extérieurs.
10 - Dispositif suivant 9 caractérisé par le fait
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que les variations de course nécessitées par le réglage sont produites par les courbures élastiques des deux éléments d'arbre dirigées dans les sens opposée de sorte que deux pistons décalés de 1800 sont sollicités dans les sens correspondants.
11 - Dispositif suivant 10 caractérisé par le fait que pour obtenir la courbure nécessaire pour le réglage, chacune des deux parties d'arbre élastique porte des masses oscillantes excentrées dont l'excentricité est variable avec le nombre de tours, dont les valeurs, l'excentricité et la distance du milieu de l'arbre sont déterminées de telle manière que la grandeur des cour- bures élastiques que l'on obtient au moyen de ces masses correspondes* aux variations de course de pistons néces- saires pour le réglage.
12 - Dispositif suivant 11 caractérisé par le fait que la commande de l'alimentation en eau et de l'évacuatif de l'eau est faite simultanément et dans le même sens dans deux cylindres décalés de 180 et la commande de chaque ensemble de deux cylindres voisine se fait aveo la phase qui correspond à leur position et dans des sens opposés.
R E SU M E
Moteur comportant des cylindres disposés en étoile et des pistons à membrane qui se meuvent dans l'axe des cylindre dans lequel l'arbre qui tourne à une vitesse supérieure à la vitesse critique, de même que les pistons à membrane sont formés à la manière de ressorts élastiques et constituent par l'intermédiaire des tiges de pistons reliées ensemble un système oscillant soumis à l'action de la force centrifuge de masses que l'on peut régler d'une manière appropriée.