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BREVET D'INVENTION.
" Perfectionnements apportés aux moyens pour suralimenter les machines à pistons libres génératrices de fluide sous pression".
L'invention est relative aux moyens pour suralimen- ter les machines à pistons libres génératrices de fluide sous pression, notamment les auto-compresseurs, les auto-compresseurs étant caractérisés par le fait qu'ils comportent des circuits d'air comprimé et de gaz brûlés distincts.
Elle a pour but, surtout, de rendre tels, De sdits moyens, qu'ils répondent mieux que jusqu'à ce jour aux divers desiderata de la pratique et notamment que l'on puisse faire varier dans une zone étendue la puissance des machines aux- quelles ils sont appliqués.
Elle consiste, principalenent, à agencer de façon telle, les moyens du genre en question, que, aux régimes nor- maux au moins, la machine à piston libre soit alimentéeen air comprimé par une machine distincte de ladite, machine à pistons
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libres et telle que la pression de suralimentation de cette dernière puisse être réglée entre des limites relativement écartées, par exemple de plusieurs atmosphères.
Elle consiste, mise à part cette disposition prin- cipale, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement parlé ci-après, notamment en une deuxième disposition, consistant à agencer de fa- çon telle, les moyens du genre en question, qu'à certaines va- riations au moins de la pression de suralimentation corresponde une variation de même sens de la pression moyenne dans le ou les éléments compresseurs de la machine à pistons libres, en une troisième disposition, consistant à faire coagir avec les moyens du genre en question des moyens, de préférence automatiques, pour faire varier dans le même sens l'énergie mise en oeuvre pour assurer le retour des équipais mobilesde la machine lors des courses non motrices, en une quatrième disposition,
plus particulièrement relative aux rrachines du genre en question alimentant en air comprimé au moins une machine utilisatrice, et consistant, la- dite disposition à suralimenter lesdites machines avec de l'air partiellement détendu dans la susdite machine utilisatrice, cet air pouvant servir à suralimenter l'élément compresseur, voire l'élément moteur ou même les deux simultanément, et en une cinquième disposition consistant -- et en mê- me temps qu'à appliquer sous pression l'élément moteur des ma- chines du genre en question -- à réchauffer cet air d'alimenta- tion par les gaz s'échappant dudit élément moteur, et, plus particulièrement pour les installations à deux circuits, dépen- dants ou indépendants, alimentant une machine utilisatrice et/ ou une turbine haute pression,
à réchauffer par less susdits gaz d'échappement l'air comprimé d'alimentation de la susdite ma- chine utilisatrice et/ou de la susdite turbine.
Elle vise plus particulièrement certains modes d'ap-
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plication, ainsi que certains modes de réalisation, des susdi- tes dispositions; et elle vise plus particulièrement encore, et ce à titre de produits industriels nouveaux, les moyens du genre en question comportant application de ces mens s disposi- tions, les éléments spéciaux propres à leur établissement, ain- si que les machines, installations, ou engins, fixes ou mobiles, comportant de semblables moyens.
Et elle pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titrée d'indication.
Les fig. 1 à 4, de ces dessins, sont des schémas re- présentant des machines à pistons libres comportant des moyens de suralimentation établis conformément à différents modes de réalisation de l'invention.
Selon l'invention et plus spé cialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que ceux des modes de réalisa- tion de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, disposant d'une machine à pis- tons libres comportant, par exemple, entre autres organes, un cylindre moteur 1 dans les parois duquel sont ménages des lu- mières d'admission 2 et des lumières d'échappement 3, ce cyin- dre coagissant avec deux pistons moteurs 4 et 4*dont l'un au moins est attelé à un élément compresseur, et se proposant d'é- tablir des moyens devant permettre de suralimenter ladite ma- chine, en vue, notamment, de faire varier sa puissance, on s'y prend comme suit ou de façon analogue.
On suralimente directerrent le cylindre moteur 1, ce pour quoi l'on pourra, avantageusement et par exemple, soit avoir recours à une machine auxiliaire, telle par exemple qu'une soufflante 5 de préférence entraîne par une tur- bine 6 mue par les gaz d'échappement de l'élément moteur (cas des machines représentées fig. 1 à 3), des moyens dont il sera plus explicitement parlé ci-après étant avantageusement prévus
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dans ce cas pour régler la pression du refoulement de ladite soufflante, soit encore, lorsque la machine à pistons libres ali- .,ente en air comprimé une machine utilisatrice, telle par exem- ple qu'une turbine haute pression 7 (fig.
4), dans laquelle l'air n'est que partiellement détendu, utiliser cet air par- tiellement detendu pour alimenter le susdit cylindre 1, des mo- yens étant alors avantageusement prévus pour permettre demodi- fier le rapport de détente de la susdite machine utilisatrice en vue de régler le taux de suralimentation de l'élément moteur.
De toute façon on s'arrange de préférence pour que la pression de suralimentation du cylindre 1 puisse varier entre des limites relativement écartées, par exemple de plusieurs at- mosphères, en sorte que la puissance de la machine puisse éga- le,lient être modifiée dans une zone étendue.
On sait que, lorqqu'on modifie la pression d'ali- mentation du cylindre 1, on fait varier le travail moteur mis en jeu dans ledit cylindre. On conçoit alors que si, conformé- ment à une disposition complémentaire de l'invention, on fait varier convenablement le travail résistant développé dans l'élé- ment compresseur on pourra s'arranger pour que le rapport de ceseux travaux demeure substantiellement constant lorsqu'on fait varier le taux de suralimentation du cylindre 1. En outre, si l'on modifie de façon appropriée l'énergie des accumulateurs 8 en fonction dudit taux de suralimentation, on disposera tou- jours d'une énergie de retour suffisante pour permettre au mé- lange occupant le susdit cylindre 1 d'atteindre la pression d'inflammation.
A cet effet et en ce qui concerne tout d'abord les moyens devant permettre de modifier.de façon appropriée l'é- nergie mise en jeu dans ,.' élément compresseur, on peut notam- cent les constituer, soit en suralimentànt cet élément compresseur de façon
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que sa pression d'alimentation demeure .dans un rapport substan- tiellement constant avec celle du cylindre 1, soit en faisant débiter ledit élément compresseur à une pression de refoulement variable demeurant toujours sensible- ment proportionnelle à la pression d'alimentation du susdit cylindre 1.
Pour ce qui e st alors de la première de ces deux solutions, on pourra, avantageusement et par exemple, la mettre en oeuvre, en ayant recours à l'un des deux modes de réalisa- tion qu'illustre le schéma de la fig. 1 sur laquelle on a re- présenté, à titre d'exemple, uhe machine à piston libre pour laquelle des pistons moteurs 41 et 42 sont reliés respectivement à des pistons compresseurs 9 1 et 92 coulissant dans des cylin- dres 101 et 10 dont lesparois déterminent, avec les faces extérieures des susdits pistons des capacités compresseurs 111
2 et 11 d'où l'air comprimé est refoulé par des conduits 12 vers des machines utilisatrices.
Selon le premier de ces modes de réalisation, re- présenté sur la partie droite de la f ig. 1, on suralimente la
2 capacité compresseur 11 en réalisant une compression préalable de l'air dans la capacité de volume variable 13 adjacente à la
2 capacité 11 , et en prévoyant un système de distribution tel qu'un clapet d'admission 14 et un robinet à trois vojes 14 , permettant respectivement le remplissage de la susdite capacité 13 et l'évacuation de l'air comprimé dans cette dernière, soit
2 vers la capacité compresseur 11 lorsque la machine doit être suralimentée, soit vers l'atmosphère dans le cas contraire.
Selon le deuxième des susdits modes de réelisation représenté sur la partie gauche de la fig. 1, on suralimente la capacité compresseur 111 en faisant communiquer ladite capacité et le conduit de refoulement de la soufflante 5 par un conduit 15 sur le quel on peut monter, si cela est nécessaire, un mano- détendeur.
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On conçoit aisément que dans l'un et l'autre cas le rapport entre les énergies mises en jeu respectivement dans les éléne nts moteur et compresseur demeurera constant lorsque le taux de suralimentation de l'élément moteur variera.
On pourra, encore, toujours pour mettre en oeuvre la première des susdites solutions, avoir recours au mode de réalisation faisant l'objet de la fig. 2 sur laquelle on a re- présenté, égale :ent à titre d'exemple, une machine à pistons libres dissymétrique dans laquelle la compression se fait en
1 2 deux étapes à travers des capacités compresseurs 11 puis 11 , reliées par un conduit 16 que l'on munit avantageusement d'un système de refroidissement 16', ladite machine alimentant une machine réceptrice 7 dans laquelle l'air n'est que partielle- ment détendu.
Selon ce mode de réalisation,
1 on renvoie à l'aspiration de la capacité 11 ,par un conduit 15' , l'air partiellement détendu provenant de la susdi- te machine rédeptrice 7 semblablement à ce qui a été dit dans ce qui précède à propos de la suralimentation du cylindre 1 de la machine faisant l'objet de la fig.
4 et, avantageusement, on proportionne les énergies mises en jeu respectivement dans les éléments moteur et compresseur, de la machine à pistons libres en prévoyant un dispositif pro- pre à régler le rapport de détente de la machine réceptrice 7 et par suite la pression d'alimentation de la capacité Il 1 en fonction de la pression d'alimentation du cylindre 1, disposi- tif que l'on peut constituer, par exemple, par un organe de ré- glage 17 soumis à l'action de la pression d'alimentation du cylindre 1 et coagissant avec le système de distribution de la susdite machine utilisatrice.
Selon, enfin, un mode de réalisation représenté sur la fig. 4, qui est relative à une machine à pistons libres dont l'élément compresseur, constitué par un piston 9 travail- lant à double effet dans un cylindre 10, alimente une turbine
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7 dont l'échappement sert à suralimenter le cylindre 1, on a recours à une soufflante auxiliaire 18 entraînée par la tur- bine 6 mue pr les gaz d'échappement de Isolément moteur, pour alimenter à pression variable le cylindre 10, tout le travail extérieur pouvant être alors recueilli sur l'arbre de la turbine 7.
Il y a lieu de noter que suivant ce dernier mode de réalisation, la proportionnalité des travaux moteurs et compresseurs est réalisée de façon automatique du fait que la soufflante 18 est entraînée pa r la turbine 6 qu'alimentent à une pression variable (fonction ci. la pression d'alimentation de l'élément moteur) les gaz d'échappement provenant dudit élément moteur.
Pour ce qui est alors de la deuxième des susdites solutions, à savoir celle consistant à proportionner les tra- vaux moteurs et compresseurs en faisant varier la pression de refoulement de l'élément compresseur, on pourra la mettre en oeuvre de façon particulièrement avantageuse en ayant recours au mode de réalisation représenté- CI 3.
Suivant ce mode de réalisation, que l'on suppose ê- tre appliqué à une machine à pistons libres comportant un seul piston compresseur 9 monté dans un cylindre 10, on détend l'air comprimé par l'élément compresseur dans une -turbine, accouplée ou confondue avec la turbine 6 mue par les gaz d'échappement provenant du cylindre 1, ladite turbine 6 assurant elle-même l'entraînement de la soufflante de suralimentation 5.
On conçoit que, de cette façon, lorsque le taux de suralimentation du cylindre 1 variera, le rapport entre les énergies mises en jeu respectivement dans le cylindre moteur 1 et dans le cylindre compresseur 10 pourra être maintenu substan- tiellement constant, puisque le rapport de compression de ce dernier est déterminé par le rapport de détente de l'air dans la turbine 6, lequel rapport dépend lui-même directement du rapport de détente des gaz d'échappement et par suite du taux-*
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de suralimentation du susdit cylindre moteur.
En ce qui concrne maintenant les moyens devant per- mettre de modifier l'énergie des accumulateurs pneumatiques 8 des machines du genre en question, accumulateurs pneumatiques que l'on peut constituer, par exemple, en munissant, soit l'un seulement des équipages mobiles (cas des fig. 2 à 4), soit les deux équipages mobiles (fig.
1), d'un piston 20 coulissant dans un cylindre 21 dimensionné de façon telle qu'il subsiste tou- jours dans ledit cylindre un matelas pneumatique 8 propre à assurer une énergie de retour convenable des susdits équipages mobiles lors des variations de course de ces derniers, on cons- titue de façon telle lesdits moyens, qu'ils permet-Lent de faire varier la pression d'alimentation des susdits matelas en fonc- tion de l'un des éléments de fonctionnement de la machine, ce pour quoi avantageusement et par exemple, cu bien l'on relie le conduit d'alimentation 23 des ac- cumulateurs pneumatiques à une enceinte ou à un conduit dans lequel règne une pression variable, dépendant de la pression d'alimentation du cylindre 1 (carter 24 dans le cas de la fig.
1) ou de la pression de refoulement de l'élément compresseur, un dispositif tel qu'un mano-détendeur 25 pouvant éventuelle- ment être prévu pour amener à une valeur convenable la pression initiale des susdits accumulateurs, ou bien l'on relie le susdit conduit 23 à une enceinte à pression constante et l'on interpose entre ladite enceinte et le matelas 8 un dispositif défendeur dont le rapport de détente puisse être réglé de façon automatique en folction de l'une des pressions dont il vient d'être question.
Il y a lieu de noter que lorsque la stabilité de la machine exigera qu'il existe, entre la pression d'alimenta- tion des accumulateurs 8 et la pression de référence choisie (¯,ression de suralimentation ou pression de refoulement) une loi plus complexe que la loi de proportionnalité, on pourra, comme représenté sur lesdessins, et en même temps que faire
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communiquer périodiquement les accumulateurs 8 avec une en- ceinte où règne la pression de référence envisagée, et inter- poser entre ladite enceinte et lesdits accumulateurs un dispo- sitif de réglage tel qu'un mano-détendeur 25, soumettre ce dernier à l'action de l'une au moins des pressions de fonction- nement de la machine, par exemple, à la pression de suralimentation comme représenté sur les fig.
1 et 2 où ledit mano-détendeur 25 est relié par un conduit 26 à l'enceinte 24, ou à la pression de refoulement de l'élément moteur comme représenté sur la f ig. 3 où le mano-détendeur 25 est re- lié par un conduit 26' à la tubulure d'échappement dudit élé- ment moteur, ou bien encore à la pression de refoulement du compres- seur voire même à la fois aux pressions de refoulement de l'é- lément moteur et de l'élément compresseur comme représenté fig.
4 où le mano-détendeur est relié, respectivement par des con- duits 26' et 26", aux conduits de refoulement du cylindre mo- teur 1 et du cylindre compresseur 10.
Qn pourrait également, lorsqu'on veut faire agir deux pressions sur la pression d'alimentation des accumulateurs 8, prévoir comme représenté sur la partie gauche de lafig. l, deux mano-détendeurs 25 et 25', soumis respectivement à l'ac- tion des pressions considérées à savoir, par exemple, la pres- sion de suralimentation pour le mano-détendeur 25 et la pres- sion de refoulement du compresseur pour le mano-détendeur 25'.
Dans tous les cas et quel que soit le mode de réa- lisation adopté, on s'arrangera avantageusement pour que les machines à pistons libres établies comme il vient d'être dit puissent fonctionner sans suralimentation, ce qui devra notam- ment être le cas lors du démarrage puisqu'à ce moment la souf- flante 5 ou la machine utilisatrice 7 ne débiteront pasencore d'air comprimé.
Etant donné que l'équilibrage des travaux moteurs
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et résistants subsistera encore lorsque la suralimentation se- ra interrompue, il suffira, pour que les susdites machines puissent fonctionner sans suralimentation, de prévoir des mo- yens autonomes propres à assurer le balayage du cylindre mo- teur 1, moyens que l'on peut constituer, par exemple , comme représenté fig.
1 à 3, en comprimant l'air de balayage dans l'une au moins des capacités 13 que l'on munit alors d'organes de distribution tels qu'un clapet d'admission 14 et une soupape de transvasement 27 par laquelle l'air comprimé dans la capaci- té 13 correspondante puisse être envoyé vers les lumières d'ad- mission 2 du cylindre 1, lorsque la machine est suralimentée les susdits clapets sont maintenus ouverts ou au contraire laissés libres selon que la capacité 13 est alors inutilisée (cas des fig. 2 et 3), et de la partie gauche de la fig. 1) ou au contraire que ladite capacité est utilisée comme capacité de suralimentation (cas de la partie droite de la fig. 1).
On pourra, encore, également pour faciliter le dé- marrage des machines dont il vient d'être question, faire va- rier l' énergie mise en oeuvre dans les accumulateurs pneurnati- ques S de façon que ladite énergie soit surabondante au démar- rage afin de vaincre les résistances de frottement supplémen- taires dues au fait que les susdites machines sont froides, ce pour quoi il suffira par exemple de déterminer les caractéris- tiques des mano-détendeurs 25 de façon que cette condition soit satisfaite.
Bien entendu, on pourrait encore, suivant d'autres variantes de l'invention, combiner entre elles certaines dispos- tions explicitées à propos des modes de réalisation faisant l'objet des dessins.
C'est ainsi, par exemple, que l'air partiellement détendu dans une machine utilisatrice pourrait servir, partie à suralimenter l'élément moteur comme représenté fig. 4, partie à suralimenter l'élément compresseur comme représenté fig. 2.
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On pourrait de même combiner les' dispositions explicitées à propos des machines faisant l'objet des fig.
. et 3, en envoyant partie de l'air provenant du compresseur dans une machine utilisatrice 7 et partie dans la turbine 6 ou dans une turbine spéciale productrice de force motrice.
Selon d'autres variantes de l'invention, on pourra agencer'les machines du genre en question de façon que l'on puisse recueillir de l'énergie mécanique sur leurs organes os- cillants, ou encore de façon que l'on puisse, à volonté, 'soit débiter de l'air comprimé non récupéré, par exemple pour les besoins d'un secteur pneumatique, soit utiliser tout ou partie dudit air comprimer pour créer de la force motrice, par exemple en le détendant dans une turbine d'utilisation.
A cet effet, il suffit, à supposer que la machine considérée soit analogue à celle représentée fig. 1, de relier le conduit d'alimentation 28 du cylindre 1 à l'aspiration du cylindre compresseur 101 par un conduit 15, de relier par un conduit 29 les collecteurs d'air com- primé 12 au carter d'alimentation 24 du susdit cylindre 1, et de prévoir respectivement sur les conduits 28 et
29 et sur le conduit 30 d'évacuation de l'air comprimé, des re- gistres 31, 32 et 33, grâce'auxquels on puisse, soit prélever de l'air comprimé par le conduit 30, soit, en obturant les re- gistres 33 et 31 et en ouvrant le registre 32, obliger tout l'air comprimé à venir balayer le cylindre 1, l'excès d'air de balayage se détendant alors en même temps que les gaz d'é- chappement dans la turbine motrice 6.
En ce qui concerne enfin les moyens devant pe rmet- tre de régler la pression de refoulement de la soufflante 5, c'est-à-dire la pression d'alimentation du cylindre 1, on peut les établir de façon que le réglage de ladite pression puisse être effectué à volonté ou au contraire qu'il se produise auto- matiquement sous l'action de l'un des facteurs de réglage de la puissance de l'installation. De toute façon, on s'arrangera de préférence pour que le réglage du taux de suralimentation se
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produise en même temps que le réglage de la quantité de com- bustible injecté.
A cet effet et par exemple, on pourra procéder comme représenté fig. 1, soit en disposant un registre 34 à l'aspiration de la soufflante 5, soit encore en prévoyant un registre 35 sur une dérivation 36 permettant à une partie des gaz d'échappement de passer directement dans l'atmosphère au lieu de venir agir sur la turbine 6 entraînant la soufflante
5, les susdits registres pouvant être commandés à la main ou :cieux par un régulateur, ou encore, par la pression de refou- lement du compresseur transmise par des conduits tels que 37, si l'on désire que le réglage se produise de façon automatique en fonction de ce facteur.
On pourra enfin éventuellement et quel que soit le système de réglage adopté pour le taux de suralimentation de l'élément moteur, agir sur ledit taux de suralimentation en fournissant à la soufflante 5 une énergie complémentaire va- riable, par exemple, en faisant agir sur ladite soufflante un moteur auxiliaire, par exemple électriquà 38 dont l'organe de réglage 39 soit de préférence soumis à l'action de l'un des facteurs de réglage de l'installation, par exemple à l'action de la pression de refoule.ient du compresseur par l'intermé- diaire d'un conduit 37'.
Bien que l'on puisse se contenter de procéder comme il vient d'être dit, il semble particulièrement avantageux d'a- voir recours, en outre à une autre disposition de l'invention, selon laquelle on réintroduit partie au moins de la chàleur résiduelle des gaz d'échappement, soit dans le circuit d'ali- mentation de l'élément moteur, soit dans le circuit de l'élé- ment compresseur, soit encore dans l'un et l'autre des deux circuits, ce pour quoi on pourra, avantageusement et par exem- ple, avoir recours à l'une des solutions suivantes.
Selon une première solution, illustrée par la fig. 1, on réalise la compression de l'air de suralimentation
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en se rapprochant le plus possible d'une compression isotherme afin de diminuer le travail de compression, et on réchauffe l'air d'alimentation du cylindre 1 en aval de la soufflante 5 à l'aide d'un échangeur 40 dans lequel circulent les gaz d'échappementde la turbine 6.
Selon une autre solution concernant les machines faisant l'objet des fig. 2 et 3, on fait circuler les gaz d'é- chappement de la susdite turbine 6, dans deux échangeur41 et
42, disposés en série ou en parallèle, dans lesquels sont res- pectivement réchauffés, d'une part, l'air comprimé à sa sortie de l'élément compresseur, et, d'autre part, l'air d'alimenta- tion du cylindre 1 en aval de la soufflante 5.
Selon, enfin, une solution représentée sur la fig.
4, on envoie les gaz d'échappeMent provenant du cylindre 1, a- vant leur passage dans la turbine 6, dans un échangeur 43 dans lequel ils assurent le réchauffage de l'air comprimé destiné à alimenter la turbine utilisatrice 7. Il y a lieu de noter que, dans ce dernier cas, la totalité ou du moins la plus grande partie du travail extérieur étant recueillie sur l'arbre de la turbine 7, on a intérêt, pour augmenter le rendement de l'ins- tallation, à rehausser le potentiel thermique de la masse d'air à détendre dans la dite turbine, afin de transforer en travail une partie plus importante de l'énergie mise en oeuvre dans la turbine.
La susdite solution permet d'obtenir ce résultat et elle permet en outre, si l'on a soin de prévoir des moyens de réglage de la quantité de chaleur transmise dans l'échangeur 43, de régler la quantité d'énergie envoyée à la turbine 6 et ce de préférence de fagon telle que, pour chaque pression de suralimentation du cylindre 1, le travail de ladite turbine soit entièrement ahsorbé par la soufflante 18 alimentant l'é- lément compresseur.
En suite de quoi et quel que soit le mode de r éali- sation adopté, on a établi différents tyjes de machines à pis-
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tons libres comportant des moyens de suralimentation dont les avantages et le fonctionnement résultent suffisamment claire- ment de la description qui vient d'en être faite pour qu'il soit inutile d'entrer à leur sujet dans aucune explication com- plémentaire.
Comme il va de soi et comme il résulte/d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ce- lui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.