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Machine à gaz chaud rotative.)
Les machines qui transforment l'énergie calorique en énergie mécanique peuvent se classer en deux groupes : lesmachines à chambre motrice fixe et les machines à chambre mo- trice rotative. Le premier groupe comporte entre autres, les machines à vapeur et les moteurs à combustion à cylindres fixes) les machines à piston à gaz chaud, etc. Le second groupe com- porte les turbines, les moteurs à vapeur et à combustion à cy- lindres rotatifs, etc.
La présente invention concerne une machine du second groupe, à savoir un moteur à gaz chaud rotatif ou bien une ma- chine frigorifique rotative, fonctionnant suivant le principe inverse du moteur à gaz chaud.
Par "moteur à gaz chaud ou machine frigorifique fonc- tionnant suivant le principe inverse de clui du moteur à gaz --
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chaud"., on entend une machine dans laquelle un fluide gazeux, de composition chimique pratiquement invariable, décrit un cer- tain nombre de cycles thermo-dynamiques séparés, et dans laquelle chacun des cycles se déroule dans deux chambres, communiquant en permanence, dans 1 :quelles règnent des températures moyennes différentes et dont les volumes varient périodiquement avec un certain décalage, ces chambres étant agencées de manière que dans l'une de deux chambres conjuguées se produit essentiellement une détente et dans l'autre, essentiellement une compression du fluide.
Dans un moteur à gaz chaud, l'énergie calorique est transformée en énergie mécanique, tandis que dans une machine frigorifique, c'est l'inverse qui se produit.
Les moteurs à gaz chaud rotatifs à circulation con- tinue du gaz, sont connus. Dans ces machines connues, un ou plu- sieurs compresseurs rotatifs compriment le fluide ; fluide est refroidi, passe dans un récupérateur et dans une source chaude, et est introduit dans la machine qui comporte une roue à aubes excentrée par rapport au corps de la machine. Si les canaux d'alimentation et les canaux d'évacuation sont judicieusement disposés, cette roue à aubes tournera. La rotation de cette roue à aubes provoquera un agrandissement de certaines des chambres formées par ces aubes ; fluide se détend et fournit du travail. Après la détente, le fluide s'échappeet retourne au compresseur en passant par le récupérateur et le réfrigérant précité.
Cette forme d'exécution connue présente plusieurs in- convénients. Pour atteindre un rendement thermique convenable, il faut, qu'après le chauffage, la température du fluide soit aussi élevée que possible. Les aubes de la roue doivent s'ap- pliquer contre la paroi du bottier de manière que les fuites entre les chambres soient très faibles, ce qui entraîne un frottement élevé des extrémités des aubes contre la paroi intérieure
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On s'efforcera évidemment de réduire le frottement en lubrifiant convenablement l'intérieur du corps de la machine, mais aux températures,de régime élevées, cette lubrification présente de graves inconvénients.
Il est aussi connu de laisser tourner librement les aubes par rapport au corps de la machine ; léger jeu subsiste alors entre l'aube et le corps de la machine. Abstraction faite de ce que, dans ce cas, les différentes de coefficient de dila- tation du corps de la machine et des aubes peuvent jouer un rôle désagréable aux températures élevées, il se produit des fuites qui affectent le rendement de l'installation. En outre, le dis- positif complet, équipé de récupérateurs et de réchauffeurs, de- vient compliqué et l'encombrement de la machine, qui précisément pour les machines rotatives peut être notablement plus petit que celui des machines à pistons animés d'un mouvement alternatif de même puissance, sera plus grand.
L'invention permet d'obvier aux inconvénients inhérents aux formes de construction connues, sans porter atteinte aux avantages que présente, en général, une machine rotative, à sa- voir : faible encombrement, équilibrage facile, haut rendement mécanique, etc. De plus, la machine rotative conforme à l'inven- tion ne nécessite pas ou guère de parties mécaniques rigoureuse- ment parachevées et les organes essentiels peuvent s'obtenir par emboutissage, et autres opérations simples.
Suivant l'invention, dans une machine dans laquelle un fluide gazeux de composition chimique pratiquement invariable décrit un certain nombre de cycles thermo-dynamiques fermés séparés, et dans laquelle chacun des cycles est décrit dans deux chambres communiquant en permanence dans lesquelles régnent des températures moyennes différentes, et dont les vo- lumes varient périodiquement avec un certain décalage, les parois des chambres sont constituées partiellement par les aubes
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d'une roue à aubes qui peut tourner autour d'un arbre excentré par rapport à l'axe du corps de la machine dans lequel tourne la roue à aubes, et partiellement par un anneau liquide que la ro- tation du corps de la machine, éventuellement aussi de la roue à aubes, forme contre la paroi intérieure du corps, machine qui comporte au moins deux roues aubes,
et dans laquelle le fluide a pratiquement la même température dans les diverses chambres de chacune de ces roues, la température moyenne du fluide dans les chambres d'une roue à aubes différant de la température du fluide dans les chambres d'au moins une autre roue à aubes. On obtient ainsi d'une part, une fermeture ri- goureusement hermétique entre les aubes et la paroi du corps, et d'autre part, cette fermeture ne provoque pratiquement pas de frottement des pistons dans les cylindres. Ce joint parfait ne requiert aucun parachèvement rigoureux ; la tolérance admis- sible pour la longueur d'une aube est de 0.5mm. En outre, toutes les chambres dites froides se trouvent dans au moins une ou plusieurs roues à aubes et toutes les chambres chaudes se trouvent dans une ou plusieurs autres roues à aubes.
Cet agence- ment est particulièrement avantageux en ce qui concerne l'isole- ment thermique nécessaire entre les chambres froides et les chambres chaudes.
On peut évidemment répartir aussi les chambres chaudes sur deux roues à aubes, tandis que les chambres froides se trouvent dans une roue à aubes ou inversement. Il est cependant désirable qu'une roue à aubes comporte toujours des chambres de même nature.
De préférence, dans une forme d'exécution avantageuse de l'invention, 1-*axe de l'arbre d'un corps de machine et l'axe de l'arbre de la roue à aubes correspondante, sont fixes dans l'espace.
Dans une autre forme d'exécution de l'invention,
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l'axe de l'arbre d'un corps de machine et l'axe de l'arbre de la roue à aubes correspondante peuvent tourner l'un autour de l'autre.
Dans une forme d'exécution de l'invention, le corps de machine peut tourner autour d'un arbre dont l'axe décrit un cylindre à base circulaire, cylindre dont l'axe coïncide avec l'axe de l'arbre de la roue à aubes correspondante.
Inversement, dans une autre forme d'exécution de l'in- vention, une roue à aubes peut tourner autour d'un arbre dont l'axe décrit un cylindre à base circulaire, cylindre dont l'axe coincide avec l'axe de l'arbre du corps de machine correspondant.
De préférence, suivant une autre forme d'exécution de l'invention, l'axe de l'arbre du corps de machine est fixe dans l'espace. On obtient alors la forme de construction la plus simple de l'ensemble.
Eu général, les dispositions précitées ont pour but d'augementer le rendement mécanique du dispositif. Eh effet, lorsqu'on utilise un anneau liquide animé d'une grande vitesse de rotation et dont la rotation résulte uniquement de celle d'une roue à aubes tandis que le corps de machine contre lequel se forme l'anneau liquide est fixe, le frottement de l'anneau sur le corps de machine est assez grand, ce qui peut entrainer des pertes importantes.
Pour réduire ces pertes par frottement, suivant une autre forme d'exécution de l'invention, le corps de machine peut tourner dans le même sens que l'axe de l'arbre des roues à aubes/
On obtient d'excellents résultats, lorsque, conformé- ment à une forme d'exécution de l'invention, la vitesse périphé- rique de l'intérieur d'un corps de machine rotatif diffère au maximum d'environ 5% de la vitesse périphérique de l'extrémité de l'aube au point où cette extrémité plonge au maximum dans
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l'anneau liquide. Grâce à cette disposition, au point où la surface de contact entre l'aube et le fluide est la plus grande, et donc où l'introduction et la sortie de l'aube et des parois dans et hors du fluide pourraient provoquer les plus grandes pertes par frottement, ces pertes sont réduites au minimum.
Les diverses chambres formées d'une part par les aubes de la roue à aubes et d'autre part, par l'anneau liquide et qui, dans la même roue à aubes, ont de préférence, toujours approxi- mativement la même température moyenne, doivent communiquer avec un même nombre de chambres dans une autre roue à aubes dont le fluide se trouve à une température moyenne plus élevée ou plus basse. Il est évidemment possible,,de relier à cet effet, les chambres par un certain nombre de tuyauteries indépendantes.
De préférence;, conformément à l'invention, les roues à aubes sont rigidement solidaires et de préférence aussi, con- formément à l'invention, les diverses roues à aubes sont assem- blées entre elles par un organe qui comporte un nombre de canaux de communication égal au nombre de chambres que comporte une roue à aubes*
Dans une forme d'exécution de l'invention, on a obtenu une construction compacte et simple en disposant dans les canaux de communication des récupérateurs: les canaux sont très courts, les espaces nuisibles sont très petits.
Dans une forme particulièrement avantageuse de l'in- vention l'énergie calorique se fournit au fluide gazeux de com- position chimique pratiquement invariable ou s'en prélève, en amenant de l'extérieur de la chaleur à l'anneau liquide ou en éva- cuant de la chaleur de cet anneau. Ceci assure une fourniture ou une évacuation de chaleur uniforme et facile à réaliser.
Il est souvent peu désirable d'avoir affaire à des parties extérieures tournant à grende vitesse. Il va de
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soi que ceci est très indésirable dans le cas d'un corps animé d'une grande vitesse de rotation qui, en outre, peut être porté à une température très élevée, par exemple 600 C, voire plus.
Pour obvier à cet inconvénient, dans une forme d'exécution de l'invention, les corps de machine contre l'intérieur desquels se forme l'anneau fluide, sont entourés d'un ou de plusieurs carters fixes. Ceci pose un problème par le fait que la fourniture de chaleur à l'anneau liquide ou l'évacuation de la chaleur de. l'an- neau liquide devient très difficile. Dans une s&lution particu- lièrement avantageuse de ce problème, conformément à l'invention, la paroi d'un ou de plusieurs corps de machine contre l'intérieur desquels se forme un anneau liquider est percée de petites ou- vertures à travers lesquelles le fluide peut pénétrer dans les carters fixes. L'échauffement du liquide, respectivement son re- froidissement peut s'effectuer en chauffant ou en refroidissant le carter à l'endroit où s'accumule le liquide.
Lorsque, sui- vant une forme d'exécution de l'invention, ces petites ou- vertures sont disposées de manière que leur axe soit environ tangentiel à la périphérie du corps de machine, la rotation de ce corps est encore renforcée par la force de réaction du li- quide sortant des ouvertures.
Le liquide ayant traversé les étroites ouvertures, qui s'est accumulé dans le carter, doit, après échauffement ou refroidisse- ment, être réintroduit dans le corps de machine rotatif. A cet effet suivant une forme d'exécution de l'invention, le corps ro- tatif comporte un disque, éventuellement muni d'autres tandis que le carter comporte un guide qui capte le fluide chassé par le disque et ce liquide s'accumule dans un tuyau accumulateur et est introduit dans le corps rotatif.
Le liquide utiliser dans la machine .conforme à l'in- vention, dépend du but de cette machine. Il est parfois intéres- sant d'utiliser un liquide très dense. Faute de cette précuation,
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l'anneau pourrait être chassé de certaines chambres. Dans la ma- chine conforme à l'invention, on utilise, de préférence, un li- quide qui, outre une faible tension de vapeur, a un bas point de fusion, un point d'ébullition élevé, et une faible viscosité.
On peut avantageusement utiliser certains alliages et certains sels métalliques. Voici quelques exemples : la machine fait office de moteur, et que le fluide moteur est de l'air, en peut utiliser des sels métalliques non oxydables, par exemple certaines combinaisons de brome et d'iode. Comme la température maximum d'un moteur est très Elevée, par exemple 700 C, il faut choisir un:, liquide qui, à cette température élevée; n'attaque pas les matériaux utilisés et ne se décompose pas. Lorsqu'on utilise dans le moteur un fluide exempt d'oxygène, par exemple de l'hélium, de l'argon, de l'hydrogène ou de l'azote, le liquide sera du potassium, du ,sodium ou un alliage de potassium et de sodium.
Lorsque la machine conforme à l'invention est utilisée comme machine frigorifique, le liquide sera par exemple du mercure ou un composé de brome.
Surtout dans le cas de petites machines portatives conformes à l'invention, il se peut que, par suite d'une in- clinaison de la machine et avant la mise en fonctionnement, le liquide s'écoule d'un corps de machine dans un autre. Pour que, lors de la mise en marche de la machine, l'anneau liquide ait
Certainement la même épaisseur dans tous les corps, dans une forme d'exécution de l'invention, les corps entourant directe- ment les roues à aubes communiquent entre eux par des tubulures judicieu sement établies.
La machine rotative conforme à l'invention peut ;être pratiquement silencieuse et exempte de vibration; de plus, son rendement thermique et son rendement mécanique peuvent être très élevés. Elle convient en particulier pour être exécutée, conformément à l'invention, sous forme d'une machine utilisée
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pour transformer l'énergie mécanique en énergie calorique ou en d'autres termes comme machine frigorifique. Sa construction ramassée et sa marche silencieuse la rendent particulièrement propre à l'utilisation dans les frigorifères. Dans une forme d'exé- cution particulièrement avantageuse, également conforme à l'in- vention, la machine est réalisée sous forme d'un ensemble hermé- tiquement fermé, de sorte qu'il ne peut se produite de fuites du fluide.
Ceci est particulièrement important lorsque le fluide utilisé n'est pas de l'air.
La description du dessin annexé, donné à titre exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
La fige 1 montre en coupe une machine rotative con- forme à l'invention.
La fige 2 est une coupe, vue dans le sens de la flèche, par le plan A-A de la fig. l.
La fig. 3 est une vue en perspective schématique de la disposition des canaux qui relient entre elles les roues à aubes de la machine montrée sur la fig. 1.
La fig. 4 est une coupe d'une autre machine conforme à l'invention.
Sur la fig. 1, un arbre 2 est fixé dans un carter fixe 1. Dans ce carter peut tourner un arbre 3 dont on prélève, par exemple, la puissance fournie par la machine lorsque celle- ci est réalisée sous forme d'un moteur à gaz chaud ou qui est entraîné lorsque la machine fait office de machine frigorifique.
L'arbre 2 porte un engrenage 4, qui est conjugué avec un engre- nage 5 tournant autour de l'arbre 6. L'engrenage 5 est aussi conjugué avec une couronne dentée prévue sur l'intérieur d'un corps 7 ; corps 7 peut tourner autour de l'engrenage 4; entre ce corps et cet engrenage se trouve un coussinet 9. Le
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corps 7 est fixé rigidement à l'arbre 3 qui tourne dans le carter 1, L'arbre 6 est fixé rigidement dans une pièce 10 qui peut tourner dans un coussinet 11, autour de l'arbre 2 et dans laquelle est fixé rigidement un arbre excentré 12. Cet arbre porte deux roues à aubes 13 et 14 qui peuvent tourner libre- ment autour de l'arbre 12 et qui sont rigidement reliées entre . elles. D'autre part, l'arbre 12 est relié rigidement à une pièce 15 qui peut tourner dans l'arbre 3.
Les roues à aubes 13-14 eom- portent, à leur périphérie, des dents 16 conjuguées avec une couron- ne dentée intérieure 17 ménagée dans le corps 7. Les roues à aubes 13 et 14, qui sont reliées rigidement entre elles, comportent chacune quatre chambres (voir fig.2) qui communiquent entre elles par les cannaux 18. Chaque chambre de la roue à aubes 13 communique, par un canal 18, avec une chambre de la roue à aubes 14; dans ce canl se trouve un récupérateur. Cependant, les chambres ne sont pas reliées entre elles de manière que deux chambres en regard communiquent ; les canaux de communication sont disposés de la maniè- re montrée sur la fig. 3, c'est-à-dire qu'une chambre de la roue à aubes 13 est reliée à une chambre de la roue à aubes 14, qui est dé-, calée en avant eu en arrière, d'environ 90 .
A l'endroit où se trouvent les roues à aubes, le corps 7 contient un liquide 20 qui, lors de la rotation du corps 7, forme dans celui-ci un anneau. En outre, ce corps renferme deux disques 21 et
22, munis d'ailettes, qui se trouvent aussi près que possible des canaux d'accumulation 23 et 24 munis d'aubes de guidage.
Les canalisations25 et 26 relient ces canaux d'accumulation et l'intérieur du corps 7. La périphérie de ce corps 7 comporte en outre un certain nombre d'étroites ouvertures 27, uniformé- ment réparties sur cette périphérie, et dont, conformément à l'invention, l'axe est approximativement tangentiel 4 la face intérieure du corps. Les deux corps sont reliés, sur la péri- phérie, à l'aide de tubés capillaires 28. Dans le cas où la ma-
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chine représentée fait office de moteur à gaz chaud, elle est équipée d'un brûleur 29; celui-ci est monté dans le boîtier 11 en un endroit pourvu de nervures 30.
En un autre endroit se trouvent des nervures 31 que lèche un fluide réfrigérant, par exemple de l'eau. Lorsque la machine travaille comme machine frigorifique, la substance à refroidir lèche les nervures 30 tandis qu'un agent réfrigérant lèche les nervures 31.
Comme moteur à gaz chaud, la machine décrite fonctionne de la manière suivante. Le liquide 20 se trouve partiellement dans le corps 7 et partiellement dans le carter 1 et est chauffé par le brûleur 29. Lorsque l'arbre 3 acquiert, par exemple sous l'effet d'une force extérieure, un mouvement de rotation, le corps 7 est entrainé. Comme ce corps 7 comporte des dents in- . térieures 16, il communique sa rotation à la paire de roues à aubes 13 et 14. En même temps, 'la roue dentée 5 est entrainée et comme celle-ci est enfermée entre la denture intérieure du corps 7 et l'engrenage 4 fixé rigidement sur l'arbre 2, l'en- grenage 5 tourne autour de l'arbre 2. De ce fait, l'arbre 6 tourne aussi: il entraîne la pièce 10 et cette dernière entraîne l'arbre 12 dont l'axe effectue donc une rotation autour de l'axe de l'arbre 2.
Cet arbre 12 porte cependant aussi les,roues à aubes 13 et 14 à mettre en mouvement, de sorte que les roues à aubes 13 et 14 tournent non seulement autour de l'arbre 12, mais en outre, dans leur ensemble, autour de l'axe de l'arbre 2.
Comme il a déjà été mentionné, le liquide 20 forme, par suite de la rotation du corps 7, un anneau contre la face intérieure du corps et cet anneau est si épais que, dans la position ;telle que le bord extrême des roues à aubes se trouve le plus loin de la face intérieure du corps 7, cet anneau forme encore tout juste les chambres formées par les aubes du côté supérieure Par suite de la rotation des roues à aubes, les aubes et les parois latérales plongent plus ou moins profondément dans le
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liquida*sorte que les chambres formées par ces aubes et les anneaux liquides deviennent plus grandes ou plus petites.
Comme le fluide qui se trouve dans ces chambres, de l'air ou un autre gaz, est ainsi comprimé et détendu et que les communi- cations entre les chambres dans la roue à aubes 13 et celles dans la roue à aubes 14 sont telles qu'il existe un certain décalage entre les variations de volume de ces chambres, la machine peut évidemment fonctionner comme moteur. Sur le des- sin, conformément à l'invention, toutes les chambres dites chaudes se trouvent dans la roue à aubes 13, et toutes les chambres froides dans la roue à aubes 14. Les canalisations par lesquelles communiquent les chambres de ces deux roues à aubes, et que parcourt donc le gaz dans un sens puis dans l'autre, com- portent des récupérateurs 19 auxquels le gaz détendu cède de la chaleur que réabsorbe le gaz comprimé revenant des chambres formées dans la roue à aubes 14.
Lorsque le corps de machine 7 tourne, une partie de l'anneau liquide 20 parvient, à travers les ouvertures 27, dans le carter 1, ce liquide s'accumule à la partie inférieure de ce corps au-dessus de la chambre de réchauffement, respectivement de la chambre de refroidissement, et y est fortement chauffé ou refroidi.
Le liquide est ramené dans le corps de machine rotatif par le fait que des disques 21 et 22, munis d'aubes, provoquent la rotation du liquide et l'amènent ainsi dans les canaux d'accu- mulation 23 et 24 munis d'aubes de guidage, d'où le liquide est de nouveau amené dans le corps rotatif 7. Il se peut qu'avant le démarrage, une partie du liquide soit parvenue de l'une des moitiés du corps 7 dans l'autre, de sorte que les anneaux li- quides dans les deux moitiés ne seraient pas également épais.
Les tubulures 28 obvient à cet inconvénient ; font en sorte que l'anneau liquide ait la même-épaisseur dans les deux moi ti és.
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La machine peut être réalisée, par exemple, de manière que les roues à aubes tournent à 4300 tours par minute; le corps 7 fait alors 4000 tours par minute et la pièce 10, 2800 tours par minute, le corps de machine ainsi que les roues à aubes et l'axe de l'arbre 12 tournant dans le même sens.
La fig. 4 montre schématiquement une autre forme d'exé- cution de la machine conforme à l'invention; ce dessin ne com- porte pas le carter 1, le dispositif de chauffage et de refroi- dissement, une roue à aube, les récupérateurs 18 ni le circuit 20, 21, 22, 23 du liquide représentés sur la fig.l. Lorsqu'onad- met que l'arbre 100 est entrainé, cet arbre entraîne les engre- nages y fixés rigidement 101 et 102 L'engrenage 101 est con- jugué avec un engrenage 104 fixé sur l'arbre 103, de sorte que l'arbre 103 peut tourner et entraîner une pièce fixe 105 fixée rigidement sur cet arbre. Dans cette pièce peut tourner un arbre 107, qui porte les roues à aubes 108 et dont l'axe tourne donc autour de l'axe'de l'arbre 3. Sur l'arbre 107 est fixé un engrenage 109.
Cet engrenage est conjugué avec la roue dentée 106 portée par une pièce 111, pièce qui est conjuguée avec l'engrenage 102 qui est entraîné par l'arbre 100. De ce fait, les roues à aubes 108 effectuent une rotation autour de l'arbre 107. Comme les roues à aubes'108 comportent une cou- ronne dentée 112 conjuguée avec une couronne dentée prévue dans le corps de machine 113, ce corps tourne aussi. Pour le reste, la machine peut être exécutée comme celle représentée sur la fig.l.
Les vitesses appropriées pour la machine représentée sur la fige 4, sont, par exemple, les suivantes; l'arbre 100 peut effectuer 3160 tours par minute ; dans ce cas, l'engrenage
109 et la patre de roues à aubes 108 font 4300 tours, la pièce
111, 3550 tours, l'engrenage 104 avec l'arbre 103 et la pièce
105, 2800 tours et enfin le corps 113, 4000 tours.